Cette belle initiative est le résultat d’une réflexion sur l’intégration de cours de chimie quantique à l’Université de Sfax initiée par les Professeurs Mahmoud TRABELSI (Université de Sfax et ancien de l’Université de Namur), Besma HAMDI (Université de Sfax) et Benoît CHAMPAGNE (Université de Namur).  La réflexion a été maturée au cours des deux dernières décennies, période durant laquelle plusieurs étudiants de l’équipe du Pr. TRABELSI ont séjourné au laboratoire du Pr. CHAMPAGNE. 

L’objectif : ajouter une composante de chimie quantique computationnelle à leurs recherches en chimie de synthèse, dont les synthèses à partir de substances biosourcées. 

Une doctorante en chimie à l’Université de Sfax, Dhouha ABEIRA, est également impliquée dans le projet. Elle effectue un stage ERASMUS+ dans le laboratoire du Pr. CHAMPAGNE afin d’étudier les propriétés optiques de cristaux moléculaires. 

Les étudiants ont été initiés au calcul des énergies de réaction et à la simulation des spectres d’absorption UV/visible. Ces deux applications sont typiques des activités en chimie quantique car elles sont directement liées à la compréhension des phénomènes réactionnels et à l’élaboration de nouveaux composés pour l’optique moléculaire. 

L’accent a également été mis sur certains aspects techniques des calculs afin de former les étudiants à l’élaboration de protocoles calculatoires en fonction des questions traitées.

Les cours ont été dispensés par une équipe interuniversitaire.

Pour le Département de chimie de l’Université de Namur  :

• Le Professeur Benoît CHAMPAGNE, Directeur du Laboratoire de Chimie Théorique (LCT) de l’Unité de Chimie Physique Théorique et Structurale (UCPTS) ;
• Le Dr. Vincent LIÉGEOIS, pour le soutien informatique à distance et dont la suite de programmes DrawSuite, une série d’applications conçues pour offrir des outils d'analyse des structures et des propriétés moléculaires, a été fort appréciée ;
• Frédéric WAUTELET de la Plateforme Technologique de Calcul Intensif (PTCI) pour le soutien informatique à distance et qui a préparé un cluster (pleiades) dédié à la formation.

Pour le Département de chimie de l’Université de Sfax :

• Le Dr. Mohamed CHELLEGUI, du laboratoire de chimie organique, pour la préparation des travaux pratiques ;
• Dhouha ABEIRA, doctorante en chimie, pour la préparation des travaux pratiques et l’assistance aux étudiants de Sfax. 

Les équipes enseignantes remercient chaleureusement les équipes des Relations Internationales de l’Université de Namur et de l'Université de Sfax pour leur aide dans l’élaboration et le suivi du projet ERASMUS+. 

• Cette recherche encore au stade expérimental est basée sur une nouvelle formulation de matériau électrochrome : le MoWOx, un oxyde mixte de molybdène-tungstène
• Cette avancée permet d’envisager une fonctionnalité « double bande », c’est-à-dire une modulation sélective et indépendante des flux de lumière et de chaleur entrants
• Les résultats ont été publiés dans les revues Advanced Optical Materials et ACS Applied Optical Materials

Des scientifiques de l’Université de Liège (ULiège) et de l’Université de Namur (UNamur) ont mis au point un matériau électrochrome novateur capable de réguler indépendamment la lumière et la chaleur dans les bâtiments. Cette avancée, basée sur un oxyde mixte de molybdène-tungstène (MoWOx), ouvre la voie à des fenêtres intelligentes encore plus efficaces et économes en énergie.

Les fenêtres électrochromes sont des vitrages intelligents capables de moduler leur coloration, ou plus généralement leur état de transparence ou opacité, lorsqu'un courant électrique extérieur lui est appliqué. Une telle propriété permet de contrôler l’intensité de rayonnement solaire entrant dans un bâtiment, sans devoir recourir à des stores ou des rideaux. Ce type de fenêtres est déjà fabriqué industriellement et utilisé technologiquement dans certains bâtiments, mais les produits actuels ne permettent pas un contrôle séparé de la lumière visible (VIS) et du rayonnement proche infrarouge (NIR), respectivement liés à la luminosité et à la chaleur incidentes.

Des chercheurs et chercheuses de l'ULiège et de l'UNamur, grâce au soutien du Fonds de la Recherche Scientifique (FNRS), ont ainsi développé une nouvelle formulation de matériau électrochrome, intitulée MoWOx, qui repose sur une fonctionnalité « double bande » permettant la modulation sélective et indépendante des flux de lumière et de chaleur entrants.

Par le biais de cette nouvelle formulation, les équipes scientifiques ont démontré l’occurrence d’un mode optique innovant, dit « chaud » (warm), et cela pour la première fois pour ce type d’oxydes. Dans ce mode, le vitrage reste transparent aux radiations infrarouges pour laisser passer la chaleur, tout en ne filtrant que partiellement la lumière visible. Cette caractéristique est particulièrement intéressante pour des climats froids et pour les périodes hivernales, où maximiser les apports de chaleur solaire tout en réduisant l’éblouissement solaire peut diminuer considérablement la consommation énergétique des bâtiments, notamment en termes de chauffage et d’éclairage artificiel.

Cette fonctionnalité « double bande » repose sur l’incorporation de composés plasmoniques nanostructurés dans la vitre intelligente. Un matériau plasmonique est un matériau dont les électrons libres peuvent osciller collectivement sous l’effet de la lumière. Il peut alors absorber, réfléchir ou diffuser la lumière de manière sélective selon sa composition et sa structure. Et c'est justement dans l’application de ces propriétés plasmoniques du MoWOx au cas des vitrages intelligentes que réside cette innovation. 

Sur ces bases, la composition et la morphologie des nanostructures plasmoniques influencent directement la sélectivité optique du filtrage, ce qui permet d’adapter plus précisément le vitrage aux besoins des utilisateurs.

Les futurs vitrages intelligents qui intègreront ces nouveaux composant pourront à terme révolutionner la gestion de l’énergie dans les bâtiments. Dans un contexte où la transition énergétique reste une priorité absolue, ces fenêtres novatrices contribueront à atteindre des objectifs de neutralité carbone et à construire des bâtiments à énergie quasi nulle.

Florian Gillissen, chercheur à l’Université de Liège et premier auteur de l'article publié dans Advanced Optical Materials : "Grâce à cette technologie, nous pouvons ajuster en temps réel la transmission de la lumière et de la chaleur à travers les fenêtres, ce qui représente un pas de géant pour l’optimisation énergétique des bâtiments". 

Professeur Michaël Lobet, Chercheur qualifié FNRS et premier auteur de l’article publié dans ACS Applied Optical Materials :  "La modélisation théorique et numérique a été réalisée à l’UNamur dans l’équipe du professeur Luc Henrard tandis que la synthèse et la caractérisation des matériaux a été réalisée sous la direction du professeur Rudi Cloots et du Dr Anthony Maho de l’Université de Liège. Ce sont ces synergies entre modélisation théorique et fabrication qui ont permis la caractérisation de ces matériaux MoWOx." 

L'objectif de ce projet de recherche (PDR), financé par le FNRS est d'approfondir les connaissances sur les phases cristallines complexes des sels simples. Le projet ambitionne de renforcer les activités de recherche internationales, qui ont débuté en 2016 et ont permis de publier les premiers résultats dans Nature en 2021.  Lire l'article en ligne...

Les phases FK sont connues depuis 1959 comme une grande famille d’alliages métalliques, mais l’étude a démontré que des simples molécules pharmaceutiques peuvent cristalliser avec une complexité similaire, ce qui n’était pas connu auparavant. 

Par ce nouveau projet, les chercheurs souhaitent aller plus loin en utilisant principalement des techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide et diffraction des rayons X (DRX) sur poudres et monocristaux. Cette étude sera effectuée en collaboration avec autres chercheurs de l’Institut NISM (Nikolay Tumanov, Carmela Aprile et Johan Wouters), ainsi qu’avec des collaborateurs travaillant dans d’autres pays, comme Riccardo Montis (Université de Urbino, Italie) et Simon Coles (Directeur du National Crystallography Service (NCS), Université de Southampton, UK).

Le projet de recherche (PDR) "NPN cofactor synthesis and roles" est à l'interface entre biochimie fondamentale et enzymologie. Il repose sur la découverte récente, par une équipe de l'UCLouvain, d'un nouveau cofacteur, nommé NPN, de structure très originale. Il s'agit d'un dinucléotide portant un complexe de Nickel. Il est impliqué dans des réactions enzymatiques importantes mais sa réactivité, sa biosynthèse et son mécanisme d'action sont très peu connus. De plus, il est présent dans 20% des génomes bactériens et 50% des génomes d'Archaea (archéobactéries), mais seulement une infime fraction des enzymes l'employant ont été caractérisées. 

Le projet de recherche repose sur la complémentarité des expertises de Benoit Desguin (UCLouvain, biochimie) et Stéphane Vincent (chimie bio-organique). L'objectif principal du projet et de comprendre le rôle et le mécanisme de ce cofacteur grâce à des études biochimiques, structurales et cinétiques. Des analogues du cofacteur NPN vont être synthétisés par l'équipe de l’UNamur : elles seront conçues de manière à élucider le mode d'interaction et de réaction du cofacteur NPN avec les enzymes l'employant.

Ce projet de recherche (PDR) est une co-promotion des professeurs Tom Leyssens (UCLouvain) et Johan Wouters (UNamur).  Il vise à faire entrer le processus de déracémisation par cristallisation dans l'ère de la « chimie verte ».

La déracémisation est un terme utilisé en chimie pour décrire le processus de séparation d'un mélange racémique en ses deux énantiomères, c'est-à-dire les formes chirales (gauche et droite) d'une molécule. Dans l'industrie pharmaceutique, 50 % des composés médicamenteux commercialisés contiennent un centre chiral, essentiel à leur fonctionnement. Lorsqu'un énantiomère a l'effet pharmacologique désiré, l'autre peut être inactif ou avoir des effets indésirables. C'est pourquoi les nouveaux médicaments sont souvent commercialisés sous forme de composés énantiopurs (c’est-à-dire débarrassés de leur « jumeau chiral » impur). 

La façon la plus courante d'obtenir des médicaments chiraux implique encore la formation d'un mélange racémique. Il peut alors être produit par des techniques de séparation chimique ou physique, avec une perte de rendement de 50 %.  Si le composé en question est « racémisable », l'énantiomère indésirable peut techniquement être retransformé en un mélange racémique, ce qui permet d'obtenir un rendement théorique de 100 %. Au cours de la dernière décennie, diverses méthodologies de déracémisation basées sur la cristallisation ont été développées.  Cependant, toutes ces méthodes nécessitent l'utilisation de grandes quantités de solvant car il s'agit de processus de cristallisation.

Cette recherche vise à amener ces processus à un niveau supérieur, non seulement en les rendant plus efficaces (moins chronophages), mais aussi en les faisant entrer dans le domaine de la « chimie verte ». Pour ce faire, les chercheurs proposent des variantes mécano-chimiques pour les conglomérats et les composés racémiques. 

Ces procédés seront

• Intrinsèquement ‘verts » puisque l'énantiomère indésirable est transformé en énantiomère désiré ;
• Permis par la mécanochimie qui élimine le besoin de solvant, ce qui les rend plus « verts » que les méthodes basées sur les solutions.
• Les plus « verts » possibles, grâce à leur efficacité (échelle de temps très rapide et faible consommation d'énergie).

Ce financement permettra d’acquérir un appareillage de calorimétrie par titration isotherme (ITC) à haut débit, unique en Fédération Wallonie-Bruxelles. C’est une méthode non destructive à haute résolution permettant une caractérisation complète des détails chimiques d'une interaction en solution. 

Son acquisition permettra aux chimistes de l'UNamur, mais aussi à leurs collaborateurs, d'analyser n'importe quelle liaison, dans un vaste champ d'application, s'étendant de la biochimie à la chimie supramoléculaire. 

“Interrupteurs moléculaires ONL "dans tous leurs états" : des solutions aux surfaces fonctionnalisées et aux solides.”

Cette thèse de doctorat au sein du Laboratoire de Chimie Théorique (Département de chimie) et du Pôle Modélisation multi-échelle par le calcul à haute performance (HPC-MM) de l’Institut NISM vise à développer des méthodologies computationnelles multi-échelles innovantes pour étudier et optimiser des interrupteurs moléculaires multi-états et multifonctionnels, composants clés des dispositifs logiques et des nouvelles générations de technologies de stockage de données. 

En plus des variations des réponses optiques linéaires, il est avantageux de considérer les changements des réponses optiques non linéaires (ONL), qui permettent une lecture de données à haute résolution tout en évitant leur destruction. L'objectif principal est de prédire et d'interpréter les réponses ONL de ces interrupteurs moléculaires dans différents environnements de la matière, à savoir en solution, greffés sur des surfaces et à l'état solide. 

De plus, une attention particulière sera accordée à la modélisation des défauts et du désordre orientationnel au sein des matériaux afin de mieux représenter les conditions réelles. Ces méthodes prédictives seront validées expérimentalement au travers de collaborations étroites avec des équipes de synthèse et de caractérisation.

Les recherches au sein de NISM s’articulent autour de divers sujets de recherche en chimie organique, chimie-physique, chimie des (nano)-matériaux, sciences des surfaces, optique et photonique, physique du solide, tant d'un point de vue théorique qu’expérimental.

L’expertise des chercheurs est reconnue dans le domaine de la synthèse et de la fonctionnalisation de systèmes moléculaires et de matériaux innovants, de 0 à 3 dimensions. 

Cet article a été réalisé pour la rubrique "Euréka" du magazine Omalius #36 de mars 2025.

Capable de générer des faisceaux d'ions constitués de n’importe quel élément stable avec des énergies allant jusqu'à 16 Mega electron-Volt (MeV), l’accélérateur de particules permet l'analyse (IBA) et la modification (IBMM) de couches minces de nombreux matériaux. Stimulé par le besoin critique de nouveaux matériaux fonctionnels, le développement de ces techniques s’est accéléré au 21e siècle.  Elles sont essentielles dans de nombreux domaines de recherche fondamentale et sont également utilisées en recherche appliquée, au travers de partenariats industriels.

Le rôle de Tijani Tabarrant est essentiel pour garantir le bon fonctionnement de cet équipement complexe. Il est responsable de sa maintenance afin d'assurer une continuité dans les recherches. En parallèle, il contribue de manière significative aux recherches en concevant et en développant diverses chambres à vide, qui sont cruciales pour nos expériences.  Pour mener à bien ces projets, il collabore étroitement avec l'atelier mécanique, dont l'expertise et les ressources sont indispensables. 

La force de l’IBMM (Ion Beam Modification of Materials) est de pouvoir modifier les propriétés électroniques, optiques, mécaniques ou magnétiques de divers matériaux de façon contrôlée. C’est ce qu’on appelle « fonctionnaliser les matériaux ».

L’IBA (Ion Beam Analysis) est une famille de techniques d’analyse non-invasives et très versatiles qui permet d’étudier la composition chimique des matériaux. Elle joue un rôle prépondérant, depuis des décennies en astrophysique nucléaire, science des matériaux, sciences du vivant ou encore sciences du patrimoine et archéologie.

En microélectronique, l'implantation ionique, indispensable pour le dopage des semi-conducteurs, est une étape clé dans la fabrication des puces électroniques. L’IBA permet d’analyser la présence de ces dopants, mais aussi celle de l'hydrogène, un élément pouvant influencer la durée de vie des composants électroniques.

En ce qui concerne l’énergie nucléaire, les irradiations par faisceaux d’ions permettent de simuler les effets des dégâts radiatifs sur les matériaux utilisés pour l’enrobage du combustible nucléaire ou le stockage des déchets radioactifs. On évalue ainsi leur durabilité sur le long terme.

Dans le domaine de l’aérospatial, les irradiations par faisceau d’ions permettent de tester la résistance des matériaux spatiaux face aux rayonnements cosmiques, améliorant la conception des satellites et des engins spatiaux.

Pour la production et stockage de l’hydrogène, l’IBA aide à concevoir des revêtements anti-diffusion. En effet, l’hydrogène est un tout petit atome qui diffuse facilement à travers les matériaux.  Le stockage de l’hydrogène est un enjeu clé pour la transition énergétique.

Dans la vie quotidienne, les écrans de téléphones, les pare-brise ou encore les fenêtres bénéficient de traitements de surface permettant de moduler leur opacité, mais aussi leurs propriétés anti-rayure, anti-reflet ou anti-salissure. Ces effets sont obtenus grâce à la synthèse et l’optimisation de couches minces de surface, en collaboration avec l’industrie du verre. L’IBA permet la caractérisation de ces couches minces, ce qui apporte une aide au développement de nouvelles fonctionnalités.

Une des stations terminales d’ALTAïS est dédiée à l’étude de la réponse des cellules aux radiations (protons, hélium, carbone). 

Ainsi, les chercheurs peuvent procéder à des études sur :

• la génération de cellules cancéreuses radiorésistantes et l’élaboration de stratégies pour les re-sensibiliser, 
• l’implication de la mitochondrie dans la résistance à la radiothérapie ; 
• l’influence de la composition des lipides membranaires sur la réponse au traitement par radiothérapie

Ils étudient l’effet FLASH - irradiation à très haut débit de dose - sur un ver C. elegans. L’effet FLASH permet de conserver le contrôle tumoral mais aussi d’épargner les tissus sains, ce qui est d’une importance capitale dans le traitement des tumeurs.

Ils effectuent également des reprogrammations de cellules du système immunitaire avec des nanoparticules d’or et le rayonnement ionisant (RX ou protons).

Au Département de physique de l’UNamur, le professeur Guy Demortier, fut l’un des pionniers dans l’utilisation des IBA pour la caractérisation d’objets anciens ou de fossiles. Ces analyses contribuent à déterminer les méthodes de fabrication et la provenance des matériaux utilisés pour la confection des artefacts historiques, comme c’est le cas au laboratoire AGLAE, installé dans le musée du Louvre, qui effectue ce genre d’analyses quotidiennement.  L’analyse de la coloration d’objets géologiques naturels (par exemple, des spéléothèmes) apporte également son lot d’informations quant à l’évolution du climat et de l’environnement d’une zone géologique particulière.  

Avec l’arrivée récente du Professeur Julien Colaux, un nouvel élan a été pris et s’inscrit dans une perspective plus large. 

L’accélérateur ALTAïS fait partie des équipements de pointe de la plateforme technologique SIAM (Synthèse, Irradiation et Analyse des Matériaux).  

Les chercheurs des Instituts NISM, NARILIS et ILEE l’utilisent quotidiennement pour repousser les limites de l’inconnu. Le Département accueille également des activités de travaux pratiques d’étudiants en physique et biologie. 

Fortes de leur longue expérience dans les (nano)matériaux fonctionnels, la microélectronique, le photovoltaïque, les batteries, les sciences de la vie et les sciences du patrimoine, les équipes pluridisciplinaires de chercheurs sont des acteurs clé dans la compréhension de la matière au sens fondamental, des interactions physiques à l’échelle atomique et dans le développement de nouvelles technologies appliquées aux enjeux mondiaux actuels.