Thèse Lig2. Fabrication d'Électrodes en Carbone Poreux par Graphene Induit par Laser Lig à Partir de Dérivés du Bois pour des Applications en Biodétection. H/F - Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Génie des Procédés pour la Bioraffinerie, les Matériaux Bio-sourcés et l'Impression Fonctionnelle
Direction de la thèse : Davide BENEVENTI ORCID 0000000222530534
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59

Le graphène induit par laser (LIG) permet une conversion rapide des matériaux organiques en carbone poreux et conducteur. Grâce à la précision du laser, il est possible de structurer directement des électrodes et des circuits sur des substrats biosourcés. Dans ce contexte, la lignine, un polymère aromatique issu du bois, présente un fort potentiel en tant que précurseur durable pour le LIG. Les tests préliminaires réalisés au LGP2/FCBA ont donné des résultats prometteurs, en accord avec la littérature scientifique. Cependant, l'influence de l'origine, de la structure et des modifications chimiques de la lignine, ainsi que des conditions de traitement, interagit avec les propriétés du LIG. Malgré ce potentiel élevé, la formation de graphite à partir de lignine reste encore peu explorée.
Ce projet vise à étudier différentes sources de lignine traitées par LIG pour obtenir des électrodes en carbone biosourcé. L'objectif final du projet LIG2 est de démontrer que le LIG dérivé de lignine, fonctionnalisé avec des sondes aptamères, peut servir de plateforme pour des biocapteurs électrochimiques à faible coût et à faible empreinte carbone.

depuis sa première introduction en 2014, le LIG (Laser-Induced Graphene) a été largement utilisé pour la fabrication directe d'électrodes 2D/3D, ainsi que pour des dispositifs de détection électrochimique et de stockage d'énergie, à partir de précurseurs organiques,¹,² avec un intérêt croissant pour les précurseurs biosourcés tels que la lignine, les résines furaniques, le bois et la cellulose.³ De plus, la fonctionnalisation du LIG par des sondes d'acides nucléiques a permis de fabriquer des biocapteurs électrochimiques et des composants électroniques biocompatibles, démontrant ainsi la polyvalence extrême de cette technologie.
Malgré le fort potentiel applicatif des précurseurs biosourcés et du LIG dans la fabrication de biocapteurs électrochimiques, l'obtention de capteurs fiables et de haute précision repose sur une séquence complexe d'étapes, incluant :
i) le contrôle rigoureux de la synthèse des précurseurs,
ii) l'ajustement fin des paramètres d'irradiation laser pour maîtriser la structure, les propriétés chimiques et morphologiques du LIG,
iii) le greffage des acides nucléiques sur les électrodes LIG.
Un travail préliminaire mené par le LGP2, le Politecnico di Torino et le FCBA a montré que les composites à base d'alcool polyfurfurylique/cellulose et les résines thermodurcissables à base de lignine peuvent être utilisés efficacement comme précurseurs pour la fabrication d'électrodes poreuses en carbone, présentant une conductivité électrique élevée et une teneur en graphite importante.
Le projet LIG2 se concentre sur deux domaines d'application principaux : l'électronique imprimée et les biocapteurs électrochimiques. Actuellement, la fabrication de circuits imprimés et d'électrodes de biodétection repose sur le dépôt d'encres conductrices ou de revêtements métalliques sur des substrats inertes, via des méthodes complexes telles que la dispense directe, la sérigraphie ou la métallisation. La plupart de ces encres sont à base de solvants pour réduire leur sensibilité à l'eau.
Dans ce contexte, le LIG émerge comme une technique rapide et directe pour convertir des surfaces organiques en couches minces (20-50 µm) de carbone poreux. Avec une vitesse de traitement élevée (6-12 m/s) et une résolution fine (180-500 dpi), le LIG permet l'écriture précise et rapide d'électrodes en carbone et de pistes conductrices directement sur des substrats inertes, éliminant ainsi le besoin d'encres et de méthodes d'impression complexes.
Outre les polymères synthétiques tels que le PEEK, le PEI et les résines phénoliques, les matériaux biosourcés comme la lignine et l'alcool polyfurfurylique suscitent un intérêt croissant pour les applications LIG, en raison de leur stabilité thermique élevée et de leur rendement en carbone. L'utilisation de composés à base de lignine, sous forme de matériaux massifs ou de revêtements, comme précurseurs pour l'écriture de circuits et d'électrodes par LIG présenterait trois avantages majeurs par rapport aux technologies actuelles d'électronique imprimée : i) l'utilisation de précurseurs de carbone biosourcés et peu coûteux, servant à la fois de support mécanique inerte ou de revêtement pour conférer une résistance à l'eau et une stabilité dimensionnelle aux substrats à base de cellulose (papier, bois, nanopapier, etc.), ii) l'emploi d'une technique d'impression numérique rapide et polyvalente (écriture laser) pour écrire des circuits et des électrodes sur des substrats 2D et 3D, iii) une réduction significative de l'utilisation d'encres conductrices à base de solvants et des techniques de fabrication reposant sur des séquences complexes d'impression, de durcissement et de frittage.

Le projet LIG2 poursuit trois objectifs principaux :
1.Développement de précurseurs à base de lignine (revêtements et matériaux massifs) pour la fabrication d'électrodes LIG. Défi : Obtenir des structures homogènes et exemptes de défauts, sans fissures ni inclusions d'air.
2.Optimisation des paramètres laser pour corréler les conditions d'irradiation avec les propriétés des électrodes LIG et produire des structures carbonées hautement conductrices et stables. Défi : Maîtriser les interactions complexes entre les multiples variables du laser et le comportement des matériaux.
3.Fabrication de biocapteurs électrochimiques par greffage de sondes d'acides nucléiques sur des électrodes LIG. Défi : Garantir une densité reproductible des sondes et une morphologie d'électrode uniforme pour une réponse électrochimique constante.

Pour atteindre les objectifs fixés, le projet LIG2 est structuré en 4 taches principales (les actions de gestion de projet, de valorisation et de diffusion des résultats ne sont pas détaillées ici pour des raisons de concision).
T1. - Mois 0 à 8 (LGP2-FCBA) Criblage des sources de lignine disponibles et des protocoles de dissolution. Formulation de solutions de lignine pour la formation de films par évaporation de solvant/précipitation ou par réticulation thermique.
Livrable 1 (mois 8) : 2 à 5 formulations de lignine et leurs conditions associées de séchage/réticulation.
T2. - Mois 7 à 20 (LGP2-DCM) Formulation de solutions de lignine et dépôt de films par enduction, pulvérisation ou rod coating. Analyse des films (MEB, FTIR, épaisseur, résistance aux solvants, etc.) et étude systématique de l'influence des variables d'irradiation laser sur le LIG (précision d'irradiation, morphologie des couches, structure carbonée, conductivité, etc.).
Livrables :
-2.1 (mois 12) : Films à base de lignine et protocole de fabrication associé.
-2.2 (mois 20) : Électrodes LIG optimisées avec leurs protocoles de caractérisation et de fabrication.
T3. - Mois 18 à 26 (LGP2-DCM) Conception et fabrication d'électrodes LIG pour la caractérisation électrochimique et la détection. Mise en place du protocole expérimental et caractérisation systématique des électrodes nues et fonctionnalisées produites dans les T2 et T3.
Livrable 3 (mois 26) : Électrodes entièrement caractérisées avec un protocole expérimental détaillé.
T4. - Mois 20 à 32 (DCM-DPM) Identification des sondes d'acides nucléiques et fonctionnalisation des électrodes LIG. Analyse du rendement de greffage, de son impact sur les propriétés électrochimiques des électrodes, et détermination de la sélectivité/sensibilité de détection.
Livrable 4 (mois 28) : Rapport sur la fonctionnalisation et la caractérisation des électrodes.

Formation et compétences techniques
Le/a candidat/e devra être titulaire d'un master (ou équivalent) en chimie des matériaux, science des polymères, génie des procédés, électrochimie, ou physique appliquée, avec une spécialisation ou une expérience marquée dans au moins un des domaines suivants :
-Synthèse et caractérisation de matériaux carbonés (ex. : LIG, graphène, composites lignocellulosiques).
-Traitement laser des matériaux (optimisation des paramètres d'irradiation, interaction laser-matière).
-Fonctionnalisation de surfaces pour des applications en biodétection (greffage de sondes nucléiques, chimie de surface).
-Électrochimie et capteurs (caractérisation d'électrodes, mesures de conductivité, techniques de détection électrochimique).
-Matériaux biosourcés (expérience avec la lignine, la cellulose, ou les résines furaniques serait un atout majeur).
Une expérience pratique avec les techniques suivantes sera particulièrement appréciée :
-Caractérisation physico-chimique : MEB, FTIR, Raman, XRD, porosimétrie, mesures de conductivité électrique.
-Fabrication de films/minces: enduction (casting, spray coating, rod coating), réticulation thermique.
-Outils d'analyse électrochimique : voltampérométrie cyclique, spectroscopie d'impédance, mesures de sensibilité/sélectivité.
-Traitement laser : utilisation de systèmes CO ou fibrés, maîtrise des paramètres (puissance, vitesse, pas de balayage).

Compétences transversales et qualités personnelles
-Rigueur scientifique : Capacité à concevoir et mener des protocoles expérimentaux complexes, à analyser des données multivariées (ex. : interaction entre paramètres laser et propriétés des matériaux).
-Autonomie et proactivité : Le/a candidat/e devra être capable de travailler en collaboration avec des partenaires académiques et industriels (ex. : FCBA, Politecnico di Torino), tout en pilotant son projet de manière indépendante.
-Esprit d'innovation : Intérêt marqué pour le développement de solutions durables (matériaux biosourcés) et d'applications en électronique imprimée ou en diagnostic environnemental/médical.
-Compétences rédactionnelles : Maîtrise de la rédaction d'articles scientifiques et de rapports techniques en anglais (langue de travail du projet).
-Adaptabilité : Ouverture à l'interdisciplinarité (chimie, physique, biotechnologie) et à l'utilisation de matériaux industriels (ex. : oligomères dérivés du furfural, mélanges graphite/polymère).