Jusqu’à ce que la chimie soit bonne

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 08.08.2023 - Dorina Opris étudie à l’Empa comment synthétiser des polymères électroactifs complexes pour des composants de robots, des capteurs ou des batteries – un projet prometteur que le Conseil européen de la recherche soutient actuellement avec l’un de ses prestigieux « ERC Consolidator Grants ». Ce n’est pas le premier succès de la chimiste de l’Empa – mais le chemin pour y parvenir n’a pas été facile.

A première vue, la carrière de Dorina Opris, née en 1974, ressemble à un livre d’images : des études de chimie à l’Université Babeş-Bolyai de Cluj en Roumanie,

en passant par la Freie Universität de Berlin, jusqu’à devenir professeure titulaire à l’EPF de Zurich et directrice du groupe de recherche « Functional Polymeric Materials » à l’Empa – soutenue par un « ERC Consolidator Grant » d’environ 2 millions d’euros. Tout cela en menant une vie privée avec une famille et les joies, les soucis et les obligations liés à deux enfants.

Comment cela se fait-il ? Avec du talent, qui a été reconnu et encouragé très tôt – déjà en tant qu’étudiante en Transylvanie. Grâce à une formation variée – non seulement en théorie, mais aussi en pratique de laboratoire, ce que regrette Dorina Opris chez certains étudiants en Suisse. Et grâce à un domaine de recherche à fort potentiel : de nouveaux polymères diélectriques s’allongent sous l’effet d’une tension électrique et peuvent être utilisés comme couches ultrafines dans des actionneurs ou d’autres composants – par exemple pour des muscles artificiels, sur lesquels des recherches sont menées depuis des années, pour la production d’électricité et pour bien d’autres choses encore.

Le chemin vers cette discipline passionnante n’a certes pas été une promenade de santé, mais plutôt une pente raide et des détours. La recherche d’emploi de Dorina Opris, après la naissance de sa fille, a duré presque deux ans avant qu’elle ne réussisse à entrer à l’Empa. Et pour ses débuts dans la recherche sur les matériaux, la chimiste organique de formation a dû trouver son domaine, voire même l’inventer – avec des échecs initiaux. Les idées ont échoué, les fonds de recherche n’ont pas été accordés. Comment se sent-on ? « Miser… », dit Opris en riant.

Que fait-on alors ? Continuer. Les encouragements du Fonds national suisse (FNS) et le programme de bourses Sciex pour trois bourses postdoctorales, toutes attribuées à des femmes, ont apporté un soutien. Et enfin, en 2020, le « ERC Consolidator Grant » pour le projet « TRANS », pour lequel la chercheuse a eu des sueurs froides : deux semaines de préparation méticuleuse pour une présentation zoom de deux minutes et 18 minutes de questions-réponses avec des spécialistes. « J’ai dû être capable de répondre très rapidement à de nombreuses questions », raconte-t-elle, « mais cela m’a convenu parce que je suis une personne qui va vite à l’essentiel et qui ne fait pas beaucoup de discours. »

Un échange fructueux à l'Empa

Si elle maîtrise son domaine de A à Z, elle le doit, comme elle le souligne, au savoir-faire que ses collègues de l’Empa ont développé – comme l’ingénieur Gabor Kovac. Il a fait avancer la fabrication d’actionneurs empilés avec des disques de silicone extensibles pendant de nombreuses années et les a développés avec son partenaire Lukas Düring jusqu’à ce que leur spin-off « CTsystems » soit récemment reprise par le groupe Daetwyler.

« Ils ont développé les appareils permettant de mesurer la manière dont les actionneurs s’allongent en présence de différents champs électriques », raconte Dorina Opris, « nous étions très en avance sur ce sujet, et cela m’a énormément aidé. » Contrairement à ses collègues, la chimiste travaille certes moins sur la technologie d’impression de tels composants qu’un « étage en dessous » – sur la synthèse de nouveaux polymères qui conviennent comme couches non conductrices pour des transistors empilés, des films élastiques pour la production d’électricité et d’autres éléments. Le profil souhaité : le plus fin possible, avec l’objectif lointain de nombreuses couches de seulement 10 micromètres d’épaisseur ; bien extensible, sensible à une faible tension de courant et en même temps robuste. Et surtout : imprimable, donc sans solvant pour les couches conductrices entre lesquelles se trouvent les polymères. « Les solvants peuvent endommager la couche de polymère. En outre, le matériau devrait sécher longtemps pour ne pas émettre de vapeurs nocives », explique Opris, « c’est pourquoi nous essayons de nous en passer – avec la chimie appropriée. »

Des exigences multiples auxquelles s’intéressent les chercheurs du monde entier. Les composés appropriés qui suscitent des espoirs sont les polysiloxanes, sur lesquels travaille également la spécialiste de l’Empa. Un avantage important de ces polymères : ils sont relativement faciles à synthétiser ; la « colonne vertébrale » de leurs brins est très mobile – et ils peuvent être manipulés de manière ciblée avec des groupes polaires, c’est-à-dire des molécules chargées en plus ou en moins.

Des molécules qui ressemblent à des serpents

Ce qui est difficile à comprendre pour les profanes, Dorina Opris l’explique par une image parlante : « On peut se représenter ces polysiloxanes comme un pot rempli de serpents qui veulent toujours bouger. » Les groupes polaires ont un double effet sur eux. D’une part, ils rendent les serpents moléculaires plus sensibles aux champs électriques afin qu’ils réagissent à de faibles tensions. D’autre part, ils agissent comme une sorte de colle entre les molécules ; cela les « raidit » et diminue ainsi leur importante élasticité. Il s’agit d’ajuster finement ces deux effets afin d’obtenir un succès maximal. Pour une utilisation dans la pratique, il est important de passer de l’état solide à l’état élastique à basse température, afin que la technologie puisse ensuite être utilisée à température ambiante.

De plus, de telles formations polymères doivent encore être « réticulées » chimiquement pour pouvoir devenir des couches élastiques – par exemple par la lumière UV et à l’aide de ce que l’on appelle des groupes terminaux : des « chapeaux » quasi moléculaires qui portent les serpents à leurs extrémités. Mais dans la pratique de laboratoire, il s’avère jusqu’à présent délicat de doter ces polymères de manière fiable de groupes terminaux définis. « Cela m’énerve », avoue Opris avec un sourire.

Il faut une saine ambition pour le projet TRANS, que la chimiste qualifie elle-même de « très, très ambitieux ». L’équipe est optimiste car des travaux antérieurs ont déjà donné des résultats encourageants ; comme par exemple un composé de polysiloxane qui a réagi à une tension de seulement 300 volts et s’est fortement déformé – une valeur extrêmement faible. L’impression de couches de condensateurs sans solvant a également déjà été réalisée. Et un doctorant a récemment mis au point un élastomère piézoélectrique qui, lorsqu’il est étiré, présente une réponse électrique nettement plus élevée que d’autres composés actuellement utilisés.

Créativité et esprit d'équipe pour réussir

Pour obtenir des résultats exploitables, de nombreuses autres étapes sont nécessaires – et les qualités qui ont amené Dorina Opris à l’Empa et à l’ETH Zurich. Non seulement la persévérance et la capacité à transformer les essais infructueux en progrès, mais aussi la création d’un environnement inspirant pour les collaborateurs, qui permette des débats ouverts et aussi des erreurs, afin que de bonnes idées voient le jour.

Et surtout, de l’optimisme. Selon la cheffe, il faut donner aux jeunes chercheurs des projets passionnants et exigeants, puis les laisser travailler de manière autonome pour qu’ils restent motivés. Son conseil aux femmes talentueuses, basé sur sa propre biographie : « N’attends pas que quelqu’un te pousse à faire de la recherche. Il faut que tu sois motivée et forte et que tu ailles jusqu’au bout ! Et prends aussi des risques de temps en temps ». Des enfants et une famille ? Pas un problème insurmontable ; selon la chercheuse, les défis privés peuvent presque toujours être surmontés grâce à une bonne planification et un partenaire qui les soutient.

La carrière de Dorina Opris

La chercheuse a étudié la chimie à l’Université Babeş-Bolyai en Roumanie et a obtenu plus tard son doctorat dans cette université ainsi qu’à l’Université libre de Berlin en chimie inorganique. En 2006, elle a rejoint le département Polymères fonctionnels de l’Empa pour un post-doctorat. Depuis 2014, elle dirige le groupe de recherche « Functional Polymeric Materials » ; depuis 2023, elle est professeure titulaire à l’ETH Zurich. Outre de multiples travaux sur les polymères tels que les polysiloxanes, elle effectue des activités de peer reviewing auprès de maisons d’édition renommées. Depuis 2016, Dorina Opris est en outre membre de la commission de recherche de l’Empa.

Le projet "TRANS"

Avec le projet de recherche « Synthesis of novel stimuli responsive dielectric polymers and their use in powerful transducers » (TRANS), Dorina Opris met en place une équipe multidisciplinaire qui développe des polymères diélectriques imprimables. Ils peuvent convertir une forme d’énergie en une autre, qu’il s’agisse de tension électrique en dilatation ou de mouvements et de changements de température en électricité. Les applications possibles vont des actionneurs et des capteurs à la « robotique douce », en passant par le stockage de l’énergie et le refroidissement des solides. Le projet est prévu pour une durée de cinq ans et durera jusqu’en avril 2026. Lors de l’attribution d’un « ERC Consolidator Grant », le projet TRANS a été sélectionné parmi plus de 2500 candidatures.

Adresse pour l'envoi de questions

Prof. Dr. Dorina Opris
Département Empa Functional Polymers
Tél. +41 58 765 4304
dorina.opris@empa.ch