Organisation orthotrope de suspensions nanocristaux de cellulose, obtenue par l’action combinée de l’ultrafiltration frontale et d’ondes ultrasonores, caractérisée par SAXS in situ.

Filtration sous Ultrasons une méthode originale pour atteindre une structuration orthotrope de cristaux liquides cellulosiques : 

Les nanocristaux de cellulose (CNC) sont des nanoparticules cristallines qui peuvent s’auto-assembler pour former des phases cristal liquides de type cholestérique stables et sont particulièrement intéressantes pour le développement de nouveaux matériaux biosourcés avec des propriétés mécaniques, optiques (iridescence) ou barrières (à l’oxygène ou à l’eau) améliorées. Un défi important pour atteindre ces propriétés fonctionnelles spécifiques est de contrôler l'orientation et l'organisation des nanocristaux au cours de leur mise en œuvre, sur des domaines étendus et avec des champs externes contrôlés avec la meilleure efficacité possible.

Récemment, nous avons pu démontrer la capacité du procédé d'ultrafiltration à générer des structures avec des orientations uniformes des CNC sur plusieurs dizaines de micromètres. Par ailleurs, nous avons découvert qu'en utilisant des ondes ultrasonores, il était possible d'aligner les cristaux liquides de cellulose le long de la direction de propagation des ondes acoustiques.

Dans ce travail, une cellule de type canal parallélépipédique (FU/US SAXS Cell), dédiée à l’observation in-situ par SAXS sur la ligne de lumière ID02-TRUSAXS de l’ESRF, a permis d’appliquer simultanément une force acoustique verticale induite par les ultrasons en haut du canal et simultanément une force de pression transmembranaire en bas du canal près de la surface membranaire. Cet équipement a permis de révéler pour la première fois, une structuration orthotrope des CNC, qui imite l'organisation du cartilage articulaire : une première couche composée de CNC dont le directeur est aligné parallèlement à la surface horizontale de la membrane, une deuxième couche isotrope intermédiaire, et une troisième couche de CNC dont le directeur est orienté verticalement selon la direction de propagation des ondes ultrasonores (Figure 1).

Nous avons interprété nos observations, en particulier les échelles de longueur et de temps impliquées dans l'alignement des CNC le long de la direction de propagation des ondes ultrasonores, en termes de streaming acoustique de Rayleigh, initié par l'atténuation visqueuse des ondes acoustiques générées par la lame vibrante. Ces résultats ouvrent la voie au développement de nouveaux biomatériaux orthotropes avec des organisations cellulosiques structurées ajustables pour des applications en ingénierie tissulaire ou en photonique.

Références

Semeraro E.F., Hengl N., Karrouch M., Michot L.J., Paineau E., Jean B., Putaux J.L., Lancelon-Pin C., Sharpnack L., Pignon F., "Layered organization of anisometric cellulose nanocrystals and beidellite clay particles accumulated near the membrane surface during cross-flow ultrafiltration: In situ SAXS and ex situ SEM/WAXD characterization", Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 584, 124030 (2020). doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.124030. 

Pignon F., Semeraro E.F., Chèvremont W., Bodiguel H., Hengl N., Karrouch, M., Sztucki M., "Orientation of Cellulose Nanocrystals Controlled in Perpendicular Directions by Combined Shear Flow and Ultrasound Waves Studied by Small-Angle X‑ray Scattering", J. Phys. Chem. C, 125, 18409-18419 (2021). doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c03506 

Pignon F., Guilbert E., Mandin S., Hengl N., Karrouch M., Jean B., Putaux J.L., Gibaud T., Manneville S., Narayanan T., “Orthotropic organization of a cellulose nanocrystal suspension realized via the combined action of frontal ultrafiltration and ultrasound as revealed by in situ SAXS”, Journal of Colloid and Interface Science, 659, 914-925 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.12.164

Bosson F., Chèvremont W., Karrouch M., Blésès D., Delplace V., Hengl N. and Pignon F., “In situ multiscale characterization of cellulose nanocrystals orthotropic organization achieved by combining ultrasound and frontal ultrafiltration”, Carbohydrate Polymers, 362, 123680 (2025). https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123680

Bosson F., Challamel M., Karrouch M., Hengl N., Djeridi, H. and Pignon F., “Rayleigh streaming phenomena at the physical origin of cellulose nanocrystals orientations during combined ultrasound and ultrafiltration processes”, Nanoscale, 17, 14381-14393 (2025). https://doi-org.insis.bib.cnrs.fr/10.1039/D5NR00521C