Instrumentation de laboratoire moderne pour mécanosynthèse :

La manière traditionnelle de réactions mécanochimiques est l’utilisation d’un mortier et d'un pilon. Bien que cet équipement soit considéré comme une marque de mécanochimie, il présente plusieurs inconvénients. L'apport d'énergie dans ces réactions est le résultat d'un travail manuel et selon la force de la personne, il est probable que l'énergie introduite dans le système

149 Braga, D.; Maini, L.; Grepioni, F. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7638.

150 Takacs, L. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7649.

151 (a) : Patil, A. O.; Curtin D. Y.; Paul, I. C. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 348. (b) : Toda, F.; Tanaka, K.; Sekikawa, A. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1987, 0, 279. (c) : Etter, M.; Urbanczyk-Lipkowska, Z.; Zia-Ebrahimi, M.; Panunto, T. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 8415. (d) : Peddiredi, V.; Jones, W.; Chorlton, A.; Docherty, R. Chem. Commun. 1996, 987.

n'est pas constante. Cela devient généralement un problème si des temps de broyage plus longs sont nécessaires, ce qui affecte par conséquent le bon mélange et le transfert d'énergie menant à des résultats irréproductibles. De plus, les mortiers de laboratoire typiques ont une capacité de traitement limitée et ne sont pas destinés à une synthèse à grande échelle. Enfin, un problème de sécurité existe, car la personne qui conduit une expérience de broyage manuelle est exposée à de nombreux dangers. Cependant, l’utilisation de broyeurs automatisés permet le déroulement de l’expérience en sécurité il permet aussi de contrôler précisément la consommation d'énergie en ajustant la fréquence, le temps de fraisage, et le choix d’accessoires de broyage (bocaux et billes) en sélectionnant le matériau de broyage le plus compatible, le nombre et la taille des billes et d'autres paramètres technologiques.152

L’activation mécanique des réactions exige des broyeurs ou moulins à haute énergie avec différents régimes de travail (compression, cisaillement, impact). Les principaux broyeurs les plus fréquemment utilisé sont illustrés ci-dessous (Figure 3).

Figure 3 : Types de broyeurs à haute énergie153: A : broyeur à billes, B : broyeur

planétaire, C : broyeur à vibrations, D : broyeur à moulin à billes, E : broyeur à broche, F : laminoir.

Parmi les différents types de broyeurs, les broyeurs à billes sont similaires en ce qui concerne les réactions chimiques. Les réactifs sont placés à l'intérieur d'un récipient de réaction avec une ou plusieurs billes de broyage, un couvercle est placé sur le récipient, le récipient est

152 Leonardi, M.; Villacampa, M.; Menéndez, J. C. Chem. Sci. 2018, 9, 2042.

153 Baláž, P.; Achimovičová, M.; Baláž, M.; Billik, P.; Cherkezova-Zheleva, Z.; Criado, J. M.; Delogu, F.; Dutková, E.; Gaffet, E.; Gotor, F. J.; Kumar, R.; Mitov, I.; Rojac, T.; Senna, M.; Streletskii, A.; Wieczorek-Ciurowa, K. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7571.

fixé à l'intérieur du broyeur à billes et le récipient est agité à des vitesses élevées. La majorité des réactions mécanochimiques organiques généralement réalisées à l'échelle du laboratoire soit dans un broyeur à billes planétaire soit dans un broyeur à mélangeur (aussi appelé broyeur à secousses ou à vibrations) qui sont robustes, énergiques et faciles à utiliser. Un bref aperçu de leurs principales caractéristiques est présenté dans ce qui suit :

2.2.2.1. Broyeur planétaire :

Dans le bol du broyeur planétaire, la fragmentation se produit principalement par l'impact à haute énergie des billes de broyage et partiellement par frottement entre les billes et la paroi du bol. Pour cela, le bol, contenant le solide à broyer et les billes, tourne autour de son propre axe sur un disque principal tournant dans le sens opposé. À une certaine vitesse, la force centrifuge fait rebondir le matériau d'échantillon broyé et les billes de broyage de la paroi intérieure du bol, traverser le bol en diagonale à une vitesse extrêmement élevée et frapper le matériau à broyer sur la paroi opposée du bol154 (Figure 4-c).

Les modes de frottement et d'impact constituent donc les principaux mécanismes par lesquels les matériaux sont traités à l'intérieur du broyeur planétaire à billes. En ce qui concerne les caractéristiques techniques,147 un broyeur planétaire à billes type, comporte une à quatre stations de broyage où sont montés les bols de broyage. La vitesse de rotation peut être réglée entre 30 et 650 tr/min avec des temps de fraisage jusqu'à 99 min, selon le modèle. La capacité des bocaux varie habituellement de 12 à 500 mL et les milieux de broyage disponibles peuvent être choisis parmi l'acier inoxydable et l’acier durci, le corindon fritté, le carbure de tungstène, le nitrure de silicium, l'oxyde de zirconium, l'agate ou le polyamide plastique (Figure 4-b). En tant qu'accessoires optionnels, les fabricants proposent des systèmes de mesure de température et de pression fixés aux bols de broyage.

154 Manuelle d’utilisation, micro-broyeur planétaire PULVERISETTE 7, Édition 10/2013 indice 022.repéré à : https://www.fritsch-international.com/sample-preparation/milling/planetary-mills/details/product/pulverisette-7-premium-line/

Figure 4 : (a): broyeur planétaire pulverisette 7 , (b): bol et billes de broyage, (c): représentation du principe de fonctionement du broyeur planétaire.

2.2.2.2. Broyeur à vibrations :

La fragmentation se produit suite à l’impact causé par les billes en frappant avec une énergie élevée l’échantillon situé sur les faces extérieures arrondies provoquant ainsi son broyage. Pour cela Les bols de broyage du broyeur à billes produisent des vibrations en forme d’arc de cercle sur un plan horizontal. Du fait de leur inertie, Un intense mélange, généré par le mouvement du bol et les mouvements décrits par les billes (Figure 5-c).

Avec l'amplitude du mouvement de la pince dans une plage d'environ 2 à 5 cm et sa fréquence de fonctionnement jusqu'à 1800 cycles par minute, les billes peuvent atteindre des vitesses élevées (de l'ordre de plusieurs m s-1), selon le modèle. Cela conduit à des forces importantes exercées sur le matériau broyé, qui classe les broyeurs à vibrations comme une alternative à haute énergie aux broyeurs planétaires. Comme dans le cas du broyage planétaire à billes, les deux modes de frottement et d'impact fournissent de l'énergie dans le système, le mode d'impact étant le mode dominant. La fréquence de fonctionnement maximale et le temps de broyage dans ces broyeurs commerciaux sont habituellement de 30 Hz et de 99 minutes, respectivement. Les bols de broyage sont disponibles en différentes tailles (1,5-50 mL) et en différents matériaux (acier trempé, acier inoxydable, carbure de tungstène, agate, oxyde de zirconium et téflon) (Figure 5-b)147.

Figure 5 : (a) : broyeur à vibrations MM400, (b) : bol et billes de broyage (c) : représentation du principe de fonctionnement du broyeur à vibrations.