Les séminaires de l'UMET

Molecular level control of the self-assembly of organic molecules at different length scales is a significant challenge both in industrial and academic research. The strength of intermolecular interactions defines physical properties of such materials, which in turn may affect bioavailability. NMR crystallography has been successful in facilitating structural analysis of organic molecular solids. However, considerable challenges remain when applying structural and dynamic methods for multi-component molecular solids across different length and time scales.

This seminar will focus on our recent work applying NMR methods across solid-solution boundary.  The examples of materials will include pharmaceutical solids^{1, 2}, molecular organo- and hydrogels^{3, 4} as well as carbohydrate-based systems^{5, 6}.  

1. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8904.

2. Mol. Pharm, 2018, 4926.

3. Soft Matter, 2016, 12, 4034.

4. Chem. Eur. J, 2017, 23, 8014.

5. J. Colloid Interface Sci., 2019 (535) 205; 2021 (594) 217. 

6. Carbohydrate Polymers, 2020, 116834.

Solid-state NMR has become an indispensable tool for understanding structure and dynamics of organic solids.  This tutorial lecture will focus on the main principles of NMR spectroscopy and compare solid- and solution-state NMR spectroscopy.  The main tools of modern solid-state NMR set ups will be presented.  Some examples of application of NMR crystallography to derive structural and dynamics parameters in pharmaceutical solids will be shown. 

Material design is a field of material sciences where one tries to answer the following question: what recipe (usually thermal treatment and composition of the material) should one use in order to manufacture a part with given performances? Traditionally based on a mix of physical knowledge, intuition and trials and errors, the field has entered a completely new paradigm with the boom of computational methods. In particular, it has been standardized through the so-called “Integrated Computational Materials Engineering” (ICME), which is an approach that integrates computational models at multiple scales in order to unravel the links process-structures-properties-performances for industrially relevant materials. 

Among the spectrum of available computational tools useful for ICME, Thermo-Calc (TC) is nowadays a well-known software, primarily aimed at exploring the thermodynamic landscape of a material to understand the equilibrium expected phases according to the recipe. The software has evolved to also bring insights into the microstructure genesis and evolution. In this seminar, the different possibilities given by TC are going to be highlighted through practical examples of my research. Starting from standard phase diagram calculations, various modules of TC will be introduced, compared with experimental information and illustrated: Dictra for diffusion simulations, Prisma for precipitation simulations, Scheil for solidification simulations, Martensitic start temperature calculations… The possibility to combine hierarchically the thermodynamic and kinetic databases offered by TC together with more advanced tools and experimental insights to support the alloy development will also be highlighted. 
A special focus will be given on the precipitation phase transformation, and how the TC databases coupled with a mean-field precipitation model can provide a versatile and powerful framework to study the temporal microstructural evolution even in the case of heterogeneous transformations. Finally, the limits of such approach will be discussed and potential ways to improve the description will be suggested.

L’objectif général de cette thèse est d’obtenir une compréhension fondamentale approfondie des dispersions solides amorphes (DSA) d’intérêt pharmaceutique dans lesquelles une substance active hydrophobe sous forme amorphe est dispersée au niveau moléculaire dans une matrice polymère afin d’inhiber sa recristallisation et augmenter sa biodisponibilité. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au lien entre la stabilité des DSA et leur dynamique moléculaire complexe et notamment leur possible hétérogénéité. Ces études ont été menées à l’aide d’investigations expérimentales croisées combinant la spectroscopie diélectrique dynamique (SDD), l’analyse thermique (DSC/ATG) et la diffraction des rayons X. Les travaux ont porté sur des mélanges de Terfénadine (TFD) dispersée dans une matrice polymère de polyvinylpyrrolidone (PVP K12).

Une première partie de ce travail a été consacrée à l’étude des composés purs et à l’impact de la méthode d’obtention (fusion-trempe ou broyage) de l’état amorphe, en particulier pour la TDF. Nous avons pu montrer que ces deux méthodes n’engendraient pas de différences majeures sur les amorphes élaborés bien que le verre de TFD obtenu par broyage présente une plus grande instabilité physique. La sensibilité de la spectroscopie diélectrique a cependant permis de mettre en évidence deux différences au niveau des dynamiques. Pour la TFD amorphisée par broyage, une recristallisation incomplète est détectée : 1-2% de l'échantillon reste dans un état amorphe et présente une mobilité accrue (diminution de 9 °C de la Tg). Ce comportement remarquable peut s'expliquer par un effet original "d’auto-confinement" de cette phase amorphe résiduelle dans les interstices constitués par les cristallites environnantes. Dans le verre obtenu par fusion/trempe et recuit, une relaxation secondaire supplémentaire est observée. Celle-ci a été reliée à la dynamique d’une fraction résiduelle d’eau (1 à 2 %) très fortement piégée dans la TFD amorphe qui nécessite un traitement thermique spécifique pour être éliminée. Une étude poussée de la dynamique a été aussi menée sur le PVP K12 qui a permis pour la première fois de caractériser le mode alpha de ce polymère. 

Une seconde partie du travail de thèse a porté sur l’étude des DSA et sur leur nature physique (homogène ou hétérogène) et le lien avec la recristallisation. Des investigations réalisées par analyse thermique, nous ont permis de déterminer l’évolution de deux paramètres clés en fonction de la composition du mélange : i) la température de transition vitreuse Tg du mélange et ii) la température correspondant à la limite de solubilité de la substance active dans le polymère. Les domaines délimités par ces courbes permettent de localiser les domaines mono- et bi-phasiques qui diffèrent par leur structure et leur dynamique. Les résultats obtenus montrent systématiquement une transition vitreuse unique qui constitue généralement le critère d’homogénéité d’un mélange. L’ajustement de la variation de Tg et de la solubilité respectivement par la loi de Gordon-Taylor et de Flory-Huggins suggère des interactions relativement faibles entre TFD et PVP. Elles sont aussi confirmées d'une part, par les résultats d'ATG relatifs aux températures de dégradation et, d'autre part, par la mise en évidence par SDD des mêmes modes de relaxation secondaires dans les mélanges et dans les composés purs. A l’opposé de ces résultats, l'étude de la mobilité moléculaire au-dessus de Tg montre de manière très originale et reproductible que pour des concentrations en TFD supérieures à 70%, les mélanges sont hétérogènes et sont constitués de deux phases amorphes de compositions différentes ayant chacune une dynamique principale propre (alpha1  et  alpha2). Plusieurs hypothèses sont proposées dans le manuscrit de thèse pour expliquer les différences observées entre résultats dynamiques et thermodynamiques. L'évolution dans le temps de ces dynamiques a également été étudiée et discutée en lien avec la stabilité des DSA.

Abstract

Modern wearable and electronic devices demand the miniaturization of the devices as well as the good biocompatibility of the constituting components. In these regards, designing new piezoelectric biopolymers and understanding their electromechanical response at the nanoscale is becoming more important than ever. In this thesis, different AFM-based techniques were used to investigate the morphology, local mechanical as well as piezoelectric properties of various biobased polymeric systems with ferroelectric-piezoelectric potentials, including PLLA-based electrospun nanofibers, hybrid organic-inorganic nanofibers and a non-isocyanate polyurethane (NIPU). From these results, more insights about structure-property relationships in these piezoelectric bio-based polymers can be gained. In addition, those materials show great potential for energy-scavenging applications and implantable devices.

OpenCalphad (OC) is an international collaboration of scientists and researchers in the development of methods for thermodynamic calculations. It allows to develop thermodynamic models and database for alloys. The aim of this presentation is to give an introduction to the methods of Calphad, including the solution solution models applied for metals, using OpenCalphad. Thermodynamic calculations were conducted for low-carbon steels, high-strength steels, and high alloyed steels. The effect of alloying elements such as Mn and Si on the phase diagrams was calculated. The influence of Cr was investigated on the phase diagrams for stainless steels to study the formation of carbides. The plots of ternary diagrams, Gibbs energy, and phase diagrams of high-speed steels are given, which allows to give a better assessment of the possibilities of OC.