REACT : révolutionner l'imagerie cohérente pour la détermination de structure de matériaux en cours de catalyse.
La catalyse hétérogène (électro-, photo-) est au cœur de notre industrie chimique moderne, pilotant 90 % des processus de fabrication de produits chimiques. Les principaux défis consistent à mesurer la cinétique des réactions, à identifier les intermédiaires, et à réduire les écarts liés aux conditions de pression et à la taille des matériaux entre les études fondamentales et les procédés industriels.
L'objectif de REACT est de développer de nouveaux systèmes de caractérisation structurelle et chimique plus rapides ainsi que des techniques de surveillance in situ de pointe pour résoudre les problèmes catalytiques. Il pourrait révolutionner notre compréhension de la catalyse quasi-industrielle en surmontant les limites actuelles de la science des matériaux et de pression par l'intégration de l'imagerie tridimensionnelle rapide in situ et non invasive de catalyseurs uniques.
Le projet utilisera les capacités atomistiques de pointe développées par l'IA pour révéler la dynamique des mécanismes catalytiques, établissant ainsi une nouvelle norme dans l'intégration des sciences computationnelles et expérimentales. Le projet mettra en lumière les questions non résolues les plus pertinentes (durabilité, activité, ...) qui limitent l'efficacité des processus d'aujourd'hui et ouvrira de nouveaux horizons avec un impact dans la recherche catalytique.
ONESPIN : repousser les frontières de la spectroscopie magnétique
La spectroscopie par résonance magnétique est une technique largement utilisée pour étudier la matière. Elle s'appuie sur les propriétés des noyaux paramagnétiques et des électrons non appariés. Toutefois, cette méthode souffre d'une faible sensibilité, nécessitant des ensembles très nombreux d'objets identiques pour détecter un signal, ce qui limite la résolution spectrale quand les échantillons présentent des propriétés hétérogènes.
Le projet ONESPIN a pour ambition de dépasser cette limite, en poussant considérablement la sensibilité de détection jusqu'à celle du spin d'objets individuels. Il propose pour cela une méthode innovante qui utilise un compteur de photons micro-ondes (détecteur ultra-sensible basé sur un qubit supraconducteur développé au CEA Saclay). Il devrait permettre de détecter des photons micro-ondes émis lors de la relaxation radiative d'un centre paramagnétique individuel à très basse température (10 mK).
Les objectifs de ONESPIN sont multiples :
i) Appliquer cette technique à différents centres paramagnétiques uniques (radicaux organiques, molécules contenant des ions de métaux de transition, enzymes…), et obtenir les premiers spectres à haute résolution sur ces molécules individuelles.
ii) Réaliser la spectroscopie hyperfine et l'imagerie des spins nucléaires autour de ces centres, ce qui permettrait d'obtenir des images de molécules individuelles avec une résolution au niveau d'un seul spin nucléaire — un rêve ancien de la spectroscopie de résonance magnétique.
iii) Développer une imagerie par résonance magnétique à l'échelle nanométrique (10 nm) de centres paramagnétiques dans un échantillon de taille micrométrique, en combinant des gradients magnétiques avec la détection par comptage de photon micro-onde.
Les chercheurs récompensés
Marie-Ingrid Richard
Marie-Ingrid Richard est chercheuse au MEM (Laboratoire Modélisation et Exploration des Matériaux) du CEA-Irig. Ingénieure en physique de formation et titulaire d'un doctorat en physique de la matière condensée de l'Université Joseph Fourier de Grenoble, elle a déjà publié près de 200 articles au cours de sa carrières, totalisant plusieurs milliers de citations. Travaillant en lien avec l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble depuis près de 20 ans, elle a acquis une expertise reconnue en microscopie synchrotron à diffraction cohérente des rayons X. En 2018, elle a obtenu un ERC Consolidator. Ses recherches actuelles portent sur l'évolution structurale des nanomatériaux en cours de réaction, rendue possible grâce au développement de techniques avancées de diffraction des rayons X.
Patrice Bertet
Patrice Bertet est chercheur au SPEC (Service de Physique de l'Etat Condensé) du CEA-Iramis. Titulaire d'un doctorat en physique quantique, il est l'auteur de plus de 70 publications totalisant plus de 8.000 citations. Il est lauréat de la médaille de l'International EPR Society 2025 en Physique et Science des Matériaux, ainsi que celle du Grand Prix Jacques Herbrand de l'Académie des Sciences. Il a obtenu, en 2013, un ERC Consolidator. Au cours de sa carrière, il a participé à de nombreuses recherches innovantes dans le domaine des supraconducteurs et se concentre désormais sur la résonance magnétique de spin unique, un domaine fondamental également prometteur en termes d'applications.