2011 Année de la Chimie à l'IRAMIS
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Le dossier "Chimie à l'IRAMIS " au format PDF
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- Stratégies bio-inspirées pour la production de matériaux minéraux fonctionnels
- Elaboration et étude physico-chimique de matériaux aux propriétés remarquables
- Nucléation-croissance de Nanoparticules d’or
- Greffage contrôlé de Cuivre sur matériaux mésoporeux à base de silice
Les organismes vivants produisent des tissus durs (os, dents, coquilles) par des processus contrôlés de minéralisation au contact d’une matrice organique [1]. Les caractéristiques (cristallinité du minéral, morphologie) des biominéraux ainsi formés sont finement modulées, de sorte que les matériaux résultants présentent des propriétés physiques, notamment mécaniques, totalement accordées à leur fonction biologique (support, défense, mastication, etc.).
L’utilisation de stratégies bio-inspirées pour la production de matériaux fonctionnels pourrait donc s’avérer extrêmement fructueuse, mais souffre encore du manque de compréhension des conditions de la biominéralisation. Le laboratoire SIS2M/LIONS développe différents systèmes modèles pour comprendre les mécanismes génériques de la biominéralisation. Nous réalisons ainsi l’étude de la précipitation minérale (CaCO3) au contact de films peptidiques cristallisés [2-3], en présence de polyélectrolytes [4], ainsi qu’au sein de vésicules polymères (cf. figure ci-dessous). L’influence de la structure organique se traduit par la stabilisation cinétique de phases minérales instables (phase amorphe, vatérite) et par un changement des morphologies cristallines.
[1] C. Chevallard, & P. Guenoun. Les matériaux biomimétiques. SFP 155, 5-10 (2006).
[2] M. Lepère, C. Chevallard, J.-F. Hernandez, A. Mitraki, and P. Guenoun. Multiscale Surface Self-Assembly of an Amyloid-like Peptide. Langmuir 23, 8150-8155 (2007).
[3] M. Lepère, C. Chevallard, G. Brezesinski, M. Goldmann, and P. Guenoun. Crystalline Amyloid Structures at Interfaces. Angwandte Chemie Int. Ed. 48, 1-6 (2009).
[4] J. Pecher, P. Guenoun, C. Chevallard. Crystalline Calcium Carbonate Thin Film Formation through Interfacial Growth and Crystallization of Amorphous Microdomains. Crystal Growth and Design, 9, 1306-1311 (2009).
Précipitation de CaCO3 au contact d’une vésicule polymère géante de PDMS-b-PEO
Une partie de l’activité du groupe est centrée sur l’élaboration et l’étude physico-chimique de matériaux massifs à l’état solide, monocristaux ou céramiques, principalement des oxydes ou des pnictures. Nous consacrons nos recherches à des matériaux aux propriétés remarquables notamment les supraconducteurs à haute température critique, les oxydes multiferroïques et magnéto-électriques.
Différentes voies d’élaboration sont utilisées en fonction du type d’échantillon recherché : La technique de réaction à l’état solide d’oxydes ou de carbonates à haute température (800°C-1500°C) permet la synthèse d’échantillons polycristallins. Le frittage consiste à recuire ces échantillons préalablement compactés, en dessous de leur point de fusion, améliorant ainsi leur densité en fonction de leur degré de compactage.
L’élaboration de monocristaux s’effectue à l’aide d’une technique de croissance en flux qui permet la cristallisation de tels oxydes à partir d’une phase liquide dont la température est inférieure au point de fusion ou à la température de décomposition du matériau.
L’étude par diffraction des rayons X des matériaux élaborés va ensuite permettre de vérifier l’organisation cristalline, l’éventuelle présence de phases parasites et d’optimiser les paramètres de synthèse (température, durées, vitesse de refroidissement).
Les propriétés physiques (magnétiques et transport) des matériaux sont mesurées par les physiciens du groupe mais nous collaborons également avec des laboratoires extérieurs.
Cette forte interaction entre chimistes et physiciens est un atout pour l’optimisation des échantillons, elle nous permet d’élaborer des matériaux homogènes à haut degré de pureté.
Nos principaux équipements en chimie du solide :
- fours tubulaires sous air et atmosphère contrôlée,
- fours à moufle,
- presse,
- diffractomètre à rayons X pour poudres,
- analyse thermique (DSC-TG),
- système de mesures des propriétés magnétiques (Squid, VSM).
Publications récentes :
▪ Light-induced size changes in BiFeO3 crystals,
B. Kundys, M. Viret, D. Colson, D. O. Kundys, Nature Materials 9 (2010) 803.
▪ Hole and electron contributions to the transport properties of Ba(Fe1−xRux)2 As2 single crystals,
F. Rullier-Albenque, D. Colson, A. Forget, P. Thuéry, S. Poissonnet, Phys. Rev. B 81 (2010) 224503.
▪ Hall effect and resistivity study of the magnetic transition, carrier content, and fermi-liquid behavior in
Ba(Fe1-xCox)2 As2,
F. Rullier-Albenque, D. Colson, A. Forget, H. Alloul, Phys. Rev. Lett. 103, (2009) 057001.
▪ Electric-Field-Induced Spin Flop in BiFeO3 Single Crystals at Room Temperature,
D. Lebeugle, D. Colson, A. Forget, M. Viret, A. M. Bataille, A. Gukasov, Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 227602
▪ Room-temperature coexistence of large electric polarization and magnetic order in BiFeO3 single crystals,
D. Lebeugle, D. Colson, A. Forget, M. Viret, P. Bonville, J.F. Marucco, S. Fusil, Phys. Rev. B 76 (2007) 024116.
Monocristal de BiFeO3 monodomaine ferroélectrique/ferroélastique observé en lumière polarisée. En surimpression : la structure cristalline pseudo-cubique du composé.
Bien que l’on sache synthétiser à façon des nanoparticules (NP) de différentes tailles et formes, la compréhension des mécanismes de nucléation-croissance ainsi que de l’origine de l’anisotropie reste très incomplète. . Au LIONS nous cherchons à comprendre ces mécanismes par un suivi in situ de la formation des nanoparticules. Du point de vue expérimental, la faible concentration des nanoparticules (2 à 3 mM en atomes constituants) et la rapidité de synthèses (~ seconde) constituaient des difficultés majeures à l’obtention de données sur les premiers instants de la formation. Nous avons donc développé des environnements échantillons spécifiques aux techniques synchrotron, pour suivre la nucléation croissance de nanoparticules.
Dans le cas de NP d’or en solution aqueuse ou organique nous avons récemment pu atteindre une résolution temporelle de 50 ms. Une analyse couplée de la forme des nanoparticules et de l’état d’oxydation des espèces associées à tout instant nous a permis 1) de mettre en évidence une étape clef de la phase de nucléation [1,2,6,7] et 2) d’identifier une taille de bifurcation dans le dévelopement de l’anisotropie de nanocylindres d’or (Fig 1)[4,5,7]. Ces developement vont nous permettre d’optimiser des synthèses de nanoparticules pour aller vers une plus grande monodispersité en taille et en forme [3], un point important requis pour les applications (ex détecteur biologique pour les nanoparticules d’or).
Références:
1. “Probing in situ the Nucleation and Growth of Gold Nanoparticles by Small-Angle X-ray Scattering”
Abécassis B., Testard F., Spalla O., and Barboux Ph., Nanoletters (2007), vol 7, n°6, 1723-1727.
2.“Gold nanoparticle superlattice crystallization probed in situ”
Abecassis B., Testard F., and Spalla, O. Physical Review Letters (2008), Vol. 100, 115504.
3. "Gold nanoparticle synthesis in worm-like catanionic micelles: microstructure conservation and temperature induced recovery”
B. Abécassis, F. Testard, Th. Zemb, Soft Matter, (2009), 5, 974-978.
4. “Cetyltrimethylammonium Bromide Silver Bromide Complex as the Capping Agent of Gold Nanorods”
Hubert F., Testard F., Spalla O., Langmuir (2008) 24, 14, 9219-9222.
5. “Nanorods versus Nanospheres: A Bifurcation Mechanism Revealed by Principal Component TEM Analysis”,
Hubert F., Testard F., Rizza G., Spalla O., Langmuir (2010), 26, 6887-6891.
6. Thèse de B. Abécassis "Suivi in-situ de la nucléation-croissance de nanoparticules d’or" Ecole Polytechnique (2006).
7. Thèse de F. Hubert "Mécanisme de formation de nanoparticules d’or anisotropes" Université Paris VI (2009).
Analyse par TEM de l’état final d’une solution de nanocylindres d’or obtenus par la réduction d’une solution de sels d’or en présence de tensioactif bromure de cetyltrimethylammoniun. Mise en évidence d’un point de bifurcation (BP) entre la formation de nanosphères et de nanocylindres. [5]
Dans la littérature, piéger du Cuivre (CuII) sur des surfaces de silice est bien décrit mais le contrôle de la quantité de CuII piégé, reste difficile.
Nous avons développé une méthode afin de contrôler précisement la quantité de cuivre sur des matériaux mésoporeux, SBA-15. La réaction se déroule dans des conditions douces. Elle est terminée après 10 minutes à température ambiante dans une solution aqueuse. La clé du succès de ce contrôle, est la présence du complexe [Cu(NH3)3(H2O)3]2+, dans la solution réactionnelle. La capacité de bien contrôler la quantité de cuivre greffé sur des surfaces de silice, permet l’utilisation des matériaux comme SBA-15 Cu, pour des études appliquées.
Par exemple, la formation d’H2 par irradiation des électrons, est particulièrement intéressante pour le stockage des déchets nucléaires. En effet, les quantités d’H2 produites lors de l’irradiation des matériaux SBA-15 ou des matériaux SBA-15 Cu, sont très différentes. Dans le cas de SBA-15 Cu, ces quantités sont très réduites en comparaison du matériau initial SBA-15. Cette diminution drastique, est attribuée directement aux atomes de cuivre liés à la surface.
