livre blanc materiaux fonctionnels et fonctionnalisation de surfaces

8/20/2019 Livre Blanc Materiaux Fonctionnels Et Fonctionnalisation de Surfaces

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LES FOCUSTECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR

En collaboration avec Expernova

Novembre / 2015

MATÉRIAUX FONCTIONNELSET FONCTIONNALISATIONDE SURFACESComment améliorer le comportementen service des matériaux ?


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L'élaboration de nouveaux matériaux et l'étude de leurs proprié-tés physiques et chimiques constituent un domaine de rechercheparticulièrement actif, en lien avec les demandes sociétales etindustrielles dans les technologies de la santé, de l'environnementet de l'information. La dynamique d'innovation dans ce domainerepose sur les avancées techniques réalisées dans l'élaborationet surtout la structuration des matériaux, sur la mise en évidencede propriétés nouvelles liées à des effets de taille (nanoparticules,par exemple) et sur la maîtrise de la fonctionnalisation de surfacesavec son corollaire, le contrôle de la stabilité de l'interface créée.Cet aspect de fonctionnalisation de surfaces par des lmsminces organiques est absolument essentiel dans de nom-breuses applications telles que les capteurs chimiques ou biochi-miques, les dispositifs pour l'optoélectronique, la microélectro-nique, l'électronique moléculaire, la protection contre la corrosionet la « salissure » (packaging des puces microélectroniques, parexemple), la formation de lms lubriants pour la micro- ou lananomécanique, la formation de lms biocompatibles résistants...

Le principe de base est extrêmement simple à comprendre : toutmatériau interagit avec son environnement via sa surface et toutesles interactions avec cet environnement dépendent des propriétéssurfaciques du matériau. Par conséquent, si l'on veut mettre àprot les phénomènes d'effets de surface, un contrôle n de lachimie de surface est nécessaire pour pouvoir réguler les interac-tions du matériau avec le milieu environnant sans toutefois modierles propriétés de structure de ce matériau. Un même matériaupeut alors présenter des propriétés de surface différentes enfonction de la façon dont il a été fonctionnalisé.Le fonctionnement, les performances et la durabilité des dispositifsintégrant ces matériaux fonctionnalisés sont conditionnés par lamaîtrise de la fonctionnalisation de surface. Celle-ci requiert desconnaissances et un savoir-faire relevant à la fois de la recherchefondamentale et des applications technologiques.Ce livre blanc est composé d’un extrait de l’articleFonctionnalisation moléculaire des surfaces par réductionde sels d'aryldiazonium rédigé par Corinne LAGROST, AliceMATTIUZZI, Ivan JABIN, Philippe HAPIOT et Olivia REINAUD[IN165]. Retrouvez l’intégralité de l’article surhttp://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-th11/surfaces-et-structures-

fonctionnelles-42534210/fonctionnalisation-moleculaire-des-surfaces-par-reduction-de-sels-d-aryldiazonium-in165/

Il comprend également une sélection d’experts scientiques ouindustriels, et de profils d’entreprises et de laboratoire derecherche, travaillant sur les matériaux fonctionnels. Ces informa-tions sont extraites de la base de données Expernova.

AVANT-PROPOS


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brins d'ADN, des molécules assurant une fonction spéci-que (complexation d'ions métalliques, etc.), ou encore desmolécules capables d'exécuter une fonction sous l'action destimuli externes (lumière, variations de pH, application d'unpotentiel électrique)...

Dans les procédés chimiques, la première étape d'adsorp-tion est généralement très rapide. En revanche, l'autoas-semblage qui suit cette étape (c'est-à-dire la formation dedomaines moléculaires ordonnés) est beaucoup plus lent.Il résulte d'un équilibre subtil entre interactions surface/molécules et interactions intermoléculaires. Ainsi, il fautattendre plusieurs heures, voire plusieurs jours pour obtenirune couche compacte et bien organisée. La mise en œuvre

est néanmoins facile et permet d'obtenir aisément desmonocouches (couches ultranes) sur la surface du maté-riau. Toutefois, elle nécessite généralement de cibler bienspéciquement un couple précurseur moléculaire/surface.

FONCTIONNALISATION

ORGANIQUE DES SURFACESDifférentes approches ont été développées pour former deslms organiques minces (1 μm à 100 nm) ou ultraminces(10 nm à 1 nm) sur des surfaces. On peut distinguer lesméthodes dites de physisorption qui mettent en jeu desénergies de liaison faibles entre la surface et le lm orga-nique (de l'ordre de quelques kJ · mol –1) et les méthodes dechimisorption ou plutôt de chimigreffage pour lesquellesles valeurs énergétiques sont nettement plus conséquentes,

de l'ordre de la centaine de kJ · mol –1

. L'établissement d'uneliaison chimique forte entre la surface et la couche organiqueest forcément un atout car elle garantit une plus grandestabilité de l'interface formée et donc une plus grande robus-tesse des couches. On a donc tout intérêt à privilégier lavoie chimigreffage dans l'optique d'une fonctionnalisationde surface robuste. Il existe deux grandes catégories deprocédés de chimigreffage : les procédés chimiques et lesprocédés électrochimiques.

PROCÉDÉS CHIMIQUES

La surface est simplement mise en contact avec une solutioncontenant des molécules possédant une fonction terminalecapable de réagir spontanément et très spéciquement avecla surface ( gure 1 ).

L'autre extrémité des molécules est décorée par unefonction chimique choisie pour induire un effet de surfacedéterminé (propriétés de mouillage, par exemple) ou bienpar une fonction chimique réactive permettant d'introduire

une entité fonctionnelle à partir d'un couplage chimique surla surface ( post-fonctionnalisation ). Les entités fonction-nelles peuvent être diverses suivant l'application considé-rée : des nanoparticules, des protéines, des anticorps, des


Plus de contenu, d’actualités et d’informations sur www.techniques-ingenieur.fr

Figure 1 - Schéma d'une monocouche auto-assemblée sur un substrat


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MATÉRIAUX FONCTIONNELSET FONCTIONNALISATION DE SURFACES

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Par dénition, une monocouche moléculaire est un lmorganique déposé sur une surface qui est constitué d' uneseule assise de molécules . Par opposition, on parle demulticouches lorsque le lm organique est composé de plu-sieurs couches de molécules qui peuvent être régulièrementordonnées en étages ou bien enchevêtrées.

PROCÉDÉS ÉLECTROCHIMIQUES

Ces procédés concernent des réactions électrochimiquesau sens large, c'est-à-dire qui mettent en jeu un transfertd'électrons, soit hétérogène, soit homogène. Le pointcommun de ces méthodes est la production d'espècesradicalaires à partir du transfert d'électrons, espèces quivont ensuite réagir pour former une liaison avec la surface.Les processus peuvent s'effectuer, soit par voie oxydante,

soit par voie réductrice.


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QUELQUES PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES

• BIOINSPIRED DEPOSITION OF TIO2 THIN FILMSINDUCED BY HYDROPHOBINSDate de publication : 2010

The deposition of ceramic thin lms from aqueous solutions

at low temperature using biopolymers as templates hasattracted much attention due to economic and environmentalbenets. Titanium dioxide is one of the most attractivefunctional materials and shows a wide range of applicationsacross vastly different areas because of its unique chemical,optical, and electrical properties. In the present work,we deposited smooth, nanocrystalline titania thin lmsby an aqueous deposition method on surface active andamphipathic proteins of fungal origin called hydrophobins.Initially, the hydrophobin molecules were self-assembledon a silicon substrate and characterized by angle-resolvedX-ray photoelectron spectroscopy (AR-XPS), atomic forcemicroscopy (AFM) and surface potential measurements.Thin lms of titanium dioxide were deposited on thesurface of hydrophobin self-assembled monolayers fromaqueous titanium(IV) bis(ammonium lactate) dihydroxidesolution at near-ambient conditions. The microstructureof the as-deposited lms was analyzed by AFM, scanningand transmission electron microscopy, which revealedthe presence of nanocrystals. The titania lms were alsocharacterized using AR-XPS and Fourier transform infrared

spectroscopic (FTIR) techniques. Appropriate mechanismsinvolved in lm deposition are suggested. Additionally,nanoindentation tests on as deposited titania lms showedtheir high resistance against mechanical stress.

Auteurs : Lars P. H. Jeurgens, D. Santhiya, C. Greiner, Z.Burghard, J. Bill, Thomas Subkowski

• BIOINSPIRED DEPOSITION OF TIO2 THIN FILMSINDUCED BY HYDROPHOBINSDate de publication : 2010

The deposition of ceramic thin lms from aqueous solutionsat low temperature using biopolymers as templates hasattracted much attention due to economic and environmentalbenets. Titanium dioxide is one of the most attractive

functional materials and shows a wide range of applicationsacross vastly different areas because of its unique chemical,optical, and electrical properties. In the present work,we deposited smooth, nanocrystalline titania thin lmsby an aqueous deposition method on surface active andamphipathic proteins of fungal origin called hydrophobins.Initially, the hydrophobin molecules were self-assembledon a silicon substrate and characterized by angle-resolvedX-ray photoelectron spectroscopy (AR-XPS), atomic forcemicroscopy (AFM) and surface potential measurements.Thin lms of titanium dioxide were deposited on thesurface of hydrophobin self-assembled monolayers fromaqueous titanium(IV) bis(ammonium lactate) dihydroxidesolution at near-ambient conditions. The microstructureof the as-deposited lms was analyzed by AFM, scanningand transmission electron microscopy, which revealed

the presence of nanocrystals. The titania lms were alsocharacterized using AR-XPS and Fourier transform infraredspectroscopic (FTIR) techniques. Appropriate mechanismsinvolved in lm deposition are suggested. Additionally,nanoindentation tests on as deposited titania lms showedtheir high resistance against mechanical stress.

Auteurs : Lars P. H. Jeurgens, D. Santhiya, C. Greiner, Z.Burghard, J. Bill, Thomas Subkowski

QUELQUES BREVETS

• AMPHIPHILIC PROTEIN IN PRINTED ELECTRONICSDisclosed is a method for preparing an organic electronicdevice, which contains one or more layers of a suitablefunctional material on a substrate, which process ischaracterized in that at least one interlayer of an amphiphilicprotein is placed between adjacent layers of the functionalmaterial, or between the substrate and the adjacent layer ofthe functional material. The protein interlayer improves theadhesion of layers without negative impact on the device'sperformance.

Dates : 2012-2013Référence : EP 2599139 A1

Auteurs : SILKE KOEHLER,MARCEL KASTLER, GeorgSchmidt, Matthias BARTZSCH


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• FUNCTIONAL MATERIAL FOR PRINTED ELECTRONICCOMPONENTS

The invention relates to a printable precursor comprisingan organometallic zinc complex which contains at least oneligand from the class of the oximates and is free from alkalimetals and alkaline-earth metals, for electronic componentsand to a preparation process. The invention furthermorerelates to corresponding printed electronic components,preferably eld-effect transistors.

Dates : 2009-2013Référence : US 8367461 B2

Auteurs : RALF KUEGLER,JOERG SCHNEIDER,RUDOLFHOFFMANN

• FORMULATIONS COMPRISING PHASE-SEPARATEDFUNCTIONAL MATERIALS

The invention relates, inter alia, to formulations comprisingfunctional materials in both the continuous and discontinuousphase, to their preparing and use in opto-electronic devices.Dates : 2011-2012Référence : WO 2011076323 A1

Auteurs : JUNYOU PAN, THOMAS EBERLE

PROFILS DE LABORATOIRES DE RECHERCHE

LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORYIn the world of science, Lawrence Berkeley NationalLaboratory (Berkeley Lab) is synonymous with excellence.Thirteen scientists associated with Berkeley Lab have wonthe Nobel Prize. Fifty-seven Lab scientists are membersof the National Academy of Sciences (NAS), one of thehighest honors for a scientist in the United States. Thirteenof our scientists have won the National Medal of Science,our nation's highest award for lifetime achievement in eldsof scientic research. Eighteen of our engineers have been

elected to the National Academy of Engineering, and threeof our scientists have been elected into the Institute ofMedicine. In addition, Berkeley Lab has trained thousandsof university science and engineering students who are

advancing technological innovations across the nation andaround the world.

Berkeley Lab is a member of the national laboratory systemsupported by the U.S. Department of Energy through its Ofceof Science. It is managed by the University of California (UC)

and is charged with conducting unclassied research acrossa wide range of scientic disciplines. Located on a 200-acresite in the hills above the UC Berkeley campus that offersspectacular views of the San Francisco Bay, Berkeley Labemploys approximately 4,200 scientists, engineers, supportstaff and students. Its budget for 2011 is $735 million, withan additional $101 million in funding from the AmericanRecovery and Reinvestment Act, for a total of $836 million.

A recent study estimates the Laboratory’s overall economicimpact through direct, indirect and induced spending onthe nine counties that make up the San Francisco Bay

Area to be nearly $700 million annually. The Lab was alsoresponsible for creating 5,600 jobs locally and 12,000nationally. The overall economic impact on the nationaleconomy is estimated at $1.6 billion a year. Technologiesdeveloped at Berkeley Lab have generated billions of dollarsin revenues, and thousands of jobs. Savings as a result ofBerkeley Lab developments in lighting and windows, andother energy-efcient technologies, have also been in thebillions of dollars.

Berkeley Lab was founded in 1931 by Ernest OrlandoLawrence, a UC Berkeley physicist who won the 1939 NobelPrize in physics for his invention of the cyclotron, a circularparticle accelerator that opened the door to high-energyphysics. It was Lawrence’s belief that scientic research isbest done through teams of individuals with different eldsof expertise, working together. His teamwork concept is aBerkeley Lab legacy that continues today.http://www.lbl.gov/

QUELQUES EXPERTS

• SEUNG - WUK LEE• WOO-JAE CHUNG• YADONG YIN



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optical properties that depend on key structural featuresrequiring precise control of both position and connectivityspanning nanometer to micrometer length scales.Identifying and optimizing structures that strongly couple tolight is important for understanding the behavior of surfaceplasmons in small nanoparticle clusters, and can result inhighly sensitive chemical and biochemical sensors usingsurface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). We useexperiment and simulation to examine the local surfaceplasmon resonances of different arrangements of Agpolyhedral clusters. High-resolution transmission electronmicroscopy shows that monodisperse, atomically smooth

Ag polyhedra can self-assemble into uniform interparticlegaps that result in reproducible SERS enhancement factorsfrom assembly to assembly. We introduce a large-scale,gravity-driven assembly method that can generate arbitrary

nanoparticle clusters based on the size and shape of apatterned template. These templates enable the systematicexamination of different cluster arrangements and provide ameans of constructing scalable and reliable SERS sensors.

Auteurs : Peidong Yang, Xing Yi Ling, Joel Henzie, Sean C Andrews, Zhiyong Li

• TOWARD FUNCTIONAL NANOCOMPOSITES:TAKING THE BEST OF NANOPARTICLES, POLYMERS,

AND SMALL MOLECULES

Date de publication : 2013Nanocomposites, composed of organic and inorganicbuilding blocks, can combine the properties from theparent constituents and generate new properties to meetcurrent and future demands in functional materials. Recentdevelopments in nanoparticle synthesis provide a plethoraof inorganic building blocks, building the foundationfor constructing hybrid nanocomposites with unlimitedpossibilities. The properties of nanocomposite materialsdepend not only on those of individual building blocks but

also on their spatial organization at different length scales.Block copolymers, which microphase separate into variousnanostructures, have shown their potential for organizinginorganic nanoparticles in bulk/thin lms. Block copolymer-

• JIAN JIN• JEAN M.J. FRECHET• RAMAMOORTHY RAMESH• YING-HAO CHU

QUELQUES PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES• COLLOIDAL NANOPARTICLE CLUSTERS:

FUNCTIONAL MATERIALS BY DESIGNDate de publication : 2012

Signicant advances in colloidal synthesis made in thepast two decades have enabled the preparation of highquality nanoparticles with well-controlled sizes, shapes,and compositions. It has recently been realized that suchnanoparticles can be utilized as 'articial atoms' for buildingnew materials which not only combine the size- and shape-

dependent properties of individual nanoparticles but alsocreate new collective properties by taking advantage oftheir electromagnetic interactions. The controlled clusteringof nanoparticle building blocks into dened geometricarrangements opens a new research area in materials scienceand as a result much interest has been paid to the creationof secondary structures of nanoparticles, either by directsolution growth or self-assembly methods. In this tutorialreview, we introduce recently developed strategies for thecreation and surface modication of colloidal nanoparticle

clusters, demonstrate the new collective properties resultingfrom their secondary structures, and highlight several oftheir many important technological applications ranging fromphotonics, separation, and detection, to multimodal imaging,energy storage and transformation, and catalysis.

Auteurs : Zhenda Lu, Yadong Yin

• ORIENTED ASSEMBLY OF POLYHEDRALPLASMONIC NANOPARTICLE CLUSTERSDate de publication : 2013

Shaped colloids can be used as nanoscale building blocksfor the construction of composite, functional materialsthat are completely assembled from the bottom up.

Assemblies of noble metal nanostructures have unique



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based supramolecules further provide more versatile routesto control spatial arrangement of the nanoparticles overmultiple length scales. This review provides an overview ofrecent efforts to control the hierarchical assemblies in blockcopolymer-based hybrid nanocomposites.

Auteurs : Kari Thorkelsson, Benjamin J Rancatore, JosephKao, Ting Xu, Peter Bai

INSTITUTE OF COLLOIDS AND INTERFACES

Research Topics :Polymer dispersions, polyelectrolytes, amphiphilic block-and graft copolymers, colloid structures and -analyticsHierarchical structure and mechanical adaptation ofbiological materials, biomimetic materials and biotemplating,structure and quality of bone material at osteoporosis and

other bone diseases, application of synchrotron radiationand neutron scattering in material science

Interfaces and membranes, charged polymers and colloids,biological physics

Fluid interfaces, macromolecules at solid interfaces, thinlms, microcapsules, wetting, methods development

Glycochemistry and glycobiology, vaccine development,fundamental mechanisms of infection diseases (e.g.Malaria), microreactors in organic synthesis, glycoimmunology,

description of new types of colloidshttp://www.mpikg.mpg.de

QUELQUES EXPERTS

• KRZYSZTOF MATYJASZEWSKI• TAKASHI NAKANISHI• DIRK G. KURTH• TORSTEN K. SIEVERS• CHARL F. J. FAUL• ANDREAS TAUBERT• YANFEI SHEN• JÜRGEN HARTMANN• PRABAL SUBEDI

QUELQUES PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES

• OPTOELECTRONIC FUNCTIONAL MATERIALS BASEDON ALKYLATED-Π MOLECULES: SELF-ASSEMBLED

ARCHITECTURES AND NONASSEMBLED LIQUIDSDate de publication : 2013

The engineering of single molecules into higher-orderhierarchical assemblies is a current research focus inmolecular materials chemistry. Molecules containingπ-conjugated units are an important class of building blocksbecause their self-assembly is not only of fundamentalinterest, but also the key to fabricating functional systemsfor organic electronic and photovoltaic applications.Functionalizing the π-cores with "alkyl chains" is acommon strategy in the molecular design that can givethe system desirable properties, such as good solubilityin organic solvents for solution processing. Moreover, thealkylated-π system can regulate the self-assembly behaviorby ne-tuning the intermolecular forces. The optimallyassembled structures can then exhibit advanced functions.However, while some general rules have been revealed,a comprehensive understanding of the function playedby the attached alkyl chains is still lacking, and currentmethodology is system-specic in many cases. Betterclarication of this issue requires contributions from carefullydesigned libraries of alkylated-π molecular systems in bothself-assembly and nonassembly materialization strategies.

Here, based on recent efforts toward this goal, we show thepower of the alkyl chains in controlling the self-assembly ofsoft molecular materials and their resulting optoelectronicproperties. The design of alkylated-C60 isselected from our recent research achievements, as themost attractive example of such alkylated-π systems. Someother closely related systems composed of alkyl chains andπ-units are also reviewed to indicate the universality of themethodology. Finally, as a contrast to the self-assembledmolecular materials, nonassembled, solvent-free, novel

functional liquid materials are discussed. In doing so, anew journey toward the ultimate organic "soft" materials isintroduced, based on alkylated-π molecular design.

Auteurs : Takashi Nakanishi, Jiyoung Choi, Hongguang Li

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avenues to nanostructured functional materials for many high-value applications, for example as thermoplastic elastomers,coatings, surfactants, dispersants and as optoelectronic andbiomedical materials.

Auteurs : Krzysztof Matyjaszewski, Nicolay V. TsarevskyMolecular recognition in functional materials at solidinterfacesDate de publication : 2008

Auteurs : Dirk G. Kurth, Torsten K. Sievers

• MOLECULAR RECOGNITION IN FUNCTIONALMATERIALS AT SOLID INTERFACESDate de publication : 2008

Three different aspects of molecular recognition at solidsurfaces are reviewed. First, we present recent advances

in the eld of 2D crystallization on planar surfaces, wherethe surface lattice denes the orientation and recognitionof molecules at the interface. Second, we review molecularrecognition involved in the formation of self-assembledmonolayers. Here, we also discuss molecular recognitionat the interface of self-assembled monolayers and liquids.Finally, we give a short overview on molecular recognitionat the surface of colloidal systems. The implication offundamental and applied research, as well as aspects ofnew technologies are also discussed.

Auteurs : Dirk G. Kurth, Torsten K. Sievers, Dieter Vollhardt

• ATRP IN THE DESIGN OF FUNCTIONAL MATERIALSFOR BIOMEDICAL APPLICATIONSDate de publicatio n : 2012

Auteurs : Krzysztof Matyjaszewski, Daniel J. Siegwart,Jung Kwon Oh

• NANOSTRUCTURED FUNCTIONAL MATERIALSPREPARED BY ATOM TRANSFER RADICALPOLYMERIZATIONDate de publication : 2009

Atom transfer radical polymerization (ATRP) is the mostextensively studied controlled/living radical polymerization(CRP) method, with the interest originating primarily inits simplicity and broad applicability, and in the ability toprepare previously inaccessible well-dened nanostructured

polymeric materials. This review illustrates the range of well-dened advanced functional materials that can be preparedby ATRP. We detail the precise synthesis of macromoleculeswith predetermined molecular weight, designed molecularweight distribution, controlled topology, composition andfunctionality. The materials include polymers with site-specicfunctionalities and novel architectures that are starting to ndcommercial application--such as stars, bottle brushes, blockand gradient copolymers. This is followed by discussing theirself-assembly into materials with nanoscale morphologies.These macromolecular engineering procedures provide new



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POUR EN SAVOIR PLUS• Matériaux fonctionnels .- Retrouvez l’intégralité de l’offrehttp://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-

th11/materiaux-fonctionnels-ti580/

• Corinne LAGROST, Alice MATTIUZZI, Ivan JABIN, Philippe HAPIOT et Olivia REINAUD .- Fonctionnalisationmoléculaire des surfaces par réduction de sels d'aryldiazonium , [IN165] (mars 2014), http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-th11/surfaces-et-structures-fonctionnelles-42534210/fonctionnalisation-moleculaire-des-surfaces-par-reduction-de-sels-d-aryldiazonium-in165/

• Cécilia MENARD-MOYON, Alberto BIANCO .- Atténuation de la toxicité des nanotubes de carbone grâce à lafonctionnalisation chimique [IN167] (janvier 2014), http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-th11/surfaces-et-structures-fonctionnelles-42534210/attenuation-de-la-toxicite-des-nanotubes-de-carbone-grace-a-la-fonctionnalisation-chimique-in167/


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