Ingénierie de surfaces métalliques PFAS-free à propriétés antiadhésives pour les applications de cuisson en boulangerie

Les surfaces antiadhésives utilisées dans le secteur de la boulangerie, viennoiserie et pâtisserie reposente encore largement sur des revêtements contenant des substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS), notamment le PTFE. L’évolution rapide du contexte réglementaire et les préoccupations environnementales et sanitaires associées aux PFAS rendent nécessaire le développement de solutions alternatives performantes, durables et compatibles avec le contact alimentaire.

Le projet ANR SAFE-BAKE vise à mieux comprendre les phénomènes intervenant à l’interface entre les surfaces de cuisson et les produits alimentaires et à développer des solutions PFAS-free. Il considère à la fois des solutions directement accessibles à l’industrie, reposant notamment sur l’utilisation de surfaces métalliques associées à des agents de démoulage, et des approches à plus long terme fondées sur l’ingénierie de surface.

L’un des enjeux est de comprendre les relations entre la topographie, la physicochimie et les propriétés interfaciales des surfaces, leur évolution au cours de l’utilisation et leurs performances antiadhésives.

La formation de composés néoformés lors de la cuisson constitue également une problématique importante du projet. La formation et le transfert de ces composés sont en effet susceptibles d’être influencés par la nature et l’état de la surface, les agents de démoulage et les conditions à l’interface surface-produit. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse sera de : (1) développer et caractériser de nouvelles surfaces métalliques PFAS-free présentant des propriétés antiadhésives adaptées aux applications de cuisson, et (2) d’identifier les paramètres de surface déterminants dans les phénomènes d’adhésion et de démoulage.

Une attention particulière sera portée aux relations entre procédés d’élaboration ou de modification des surfaces, topographie, composition et propriétés physicochimiques de surface, mouillabilité et comportement interfacial.

Programme scientifique

Différentes stratégies d’ingénierie de surfaces métalliques seront étudiées. Elles pourront notamment faire appel à la texturation de surface, en particulier par procédés laser, afin de générer des topographies contrôlées et éventuellement biomimétiques.

En complément, des traitements par plasma atmosphérique pourront être développés afin de modifier les propriétés physicochimiques des surfaces. L’association de ces différentes approches permettra notamment d’étudier l’influence respective ou combinée de la topographie et de la chimie de surface sur les propriétés interfaciales et les performances antiadhésives.

Des surfaces de type SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces) pourront également être considérées, notamment par association de surfaces texturées et de lubrifiants compatibles avec les contraintes liées aux applications alimentaires. Le choix des systèmes étudiés prendra en compte leurs propriétés de surface mais également leur stabilité thermique et leur capacité à conserver leurs performances lors de sollicitations répétées.

Les surfaces obtenues feront l’objet de caractérisations permettant de relier leur structure et leur composition à leurs propriétés fonctionnelles. La topographie, la mouillabilité, l’énergie de surface et - lorsque cela sera pertinent - la composition chimique superficielle seront notamment étudiées. Des techniques complémentaires disponibles au sein de l’UMET, de l’IEMN ou chez les partenaires du projet pourront être mobilisées en fonction des besoins scientifiques. Une attention particulière sera portée à la durabilité des propriétés de surface. L’effet de sollicitations thermiques, de cycles d’utilisation, du nettoyage ou de sollicitations mécaniques pourra être étudié afin d’identifier les mécanismes conduisant à une évolution ou à une perte des propriétés antiadhésives.

Les surfaces les plus pertinentes seront ensuite évaluées dans des conditions représentatives des applications de cuisson, en interaction avec les partenaires du projet. Les résultats pourront être mis en relation avec les performances de démoulage, la rétention de résidus, l’évolution des interfaces surface-produit et, lorsque cela sera pertinent, les analyses relatives à la formation et au transfert des composés néoformés réalisées dans le cadre du projet.

L’ensemble de ces travaux devra permettre d’établir des relations entre procédé – structure et propriétés de surface – interactions interfaciales – performances antiadhésives et durabilité, afin de dégager des éléments de compréhension et des règles de conception pour le développement de surfaces de cuisson PFAS-free.

La thèse sera réalisée dans le cadre du projet ANR SAFE-BAKE, projet collaboratif associant ACTALIA, coordinateur du projet, ONIRIS et l’Université de Lille. Elle bénéficiera ainsi d’un environnement fortement pluridisciplinaire à l’interface entre science et ingénierie des surfaces, physicochimie des interfaces, procédés, caractérisation des matériaux et sciences des aliments.

Les travaux de thèse seront principalement conduits à l’UMET (Unité Matériaux et Transformations, UMR 8207) et à l’IEMN (Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, UMR 8520) de l’Université de Lille. Les compétences et équipements complémentaires des deux laboratoires seront mobilisés pour l’élaboration, la modification et la caractérisation des surfaces.

Les travaux seront réalisés en interaction étroite avec ACTALIA et ONIRIS, notamment pour la définition des conditions d’étude, les protocoles de vieillissement et de nettoyage, l’évaluation des performances antiadhésives et les essais dans des conditions représentatives de la cuisson. Les analyses et méthodologies complémentaires développées par les différents partenaires permettront de replacer les résultats obtenus sur les surfaces dans une approche globale intégrant leur comportement en utilisation. Cette organisation offrira à la personne recrutée un environnement de recherche pluridisciplinaire et lui permettra d’interagir avec des chercheurs issus des domaines des matériaux, des surfaces et interfaces, des procédés et des sciences des aliments.

Le ou la candidate devra être titulaire d’un Master 2 ou d’un diplôme d’ingénieur dans le domaine de la science des matériaux, de la chimie ou physicochimie des matériaux et des surfaces, du génie des procédés, ou d’une formation équivalente.

Une formation solide en physicochimie et/ou caractérisation des matériaux et des surfaces est souhaitée.

Une première expérience dans l’un des domaines suivants constituera un atout : traitements ou fonctionnalisation de surfaces, procédés plasma, texturation laser, mouillabilité et énergie de surface, microscopie ou techniques de caractérisation physicochimique des surfaces.

Le sujet comportant une part importante de développement expérimental, le ou la candidate devra présenter un goût prononcé pour l’expérimentation, ainsi que de bonnes capacités d’analyse et d’interprétation des résultats. Autonomie, rigueur, curiosité scientifique et aptitude à travailler dans un environnement collaboratif et pluridisciplinaire seront particulièrement appréciées.

Une bonne maîtrise de l’anglais scientifique écrit et oral sera nécessaire pour les échanges scientifiques, la valorisation des résultats dans des congrès internationaux et la rédaction de publications scientifiques.

La réalisation de la thèse implique des activités au sein de l’UMET et de l’IEMN. Le recrutement et l’accès aux installations concernées seront soumis aux procédures réglementaires d’autorisation applicables aux Zones à Régime Restrictif (ZRR) de l’UMET et de l’IEMN.