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Univ. Paris-Saclay
Synthèse et caractérisation des nano-objets / Synthesis and characterization of nano-objects
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Synthèse et caractérisation des nano-objets :  L’IRAMIS dispose de capacité de synthèse de nano-objets aussi bien par des techniques dites de salles blanches (MBE, lithographie, ablation laser,…) que par des techniques bottom-up de chimie (procédés en solution, pyrolyse laser ou CVD). Cette capacité de préparation de nano-objets s’accompagne de recherches originales dans l’art de les fonctionnaliser et de les mettre en œuvre pour obtenir des matériaux macroscopiques nanostruturés ou des objets fonctionnels.

Ces synthèses s’accompagnent de nombreux travaux de caractérisation fine des interactions entre atomes ou molécules, intervenant au cours de l'élaboration des nano-objets et des nanomatériaux ou liés à leurs propriétés.

Pour les applications recherchées, avec l'objectif de maitriser la conception de composants fonctionnels et bien caractérisés, cette connaissance permet d'orienter, par application de contraintes contrôlées, les associations entre les objets élémentaires pour obtenir une gamme de "nano-objets

Pour aboutir à la conception de composants fonctionnels et bien caractérisés, cette connaissance permet, par l'application de contraintes contrôlées, les associations entre les objets élémentaires pour obtenir toute une gamme de "nano-produits"  : molécules complexes, nanoparticules, nanotubes de carbone, graphène, structures micellaires ou colloïdales, composés auto-assemblés, solides nanostructurés, surfaces fonctionnalisées...

 

Synthesis and characterization of nano-objects:  IRAMIS has a capacity of synthesis of nano-objects by clean-rooms methods (MBE, lithography, laser ablation, ...) and by bottom-up chemical processes (solution processes, laser pyrolysis, CVD). This ability in nano-objects elaboration is accompanied by original research to functionalize them or implement them, to get nanostructured macroscopic materials or functional objects.

These synthesis are accompanied by numerous works of fine characterization of the interactions between atoms or molecules, involved in the development of nano-objects and nanomaterials or related to their properties.

For the required applications, with the objective of achieving the design of functional and well characterized components, this knowledge makes it possible to orient by application of controlled constraints, the associations between the elementary components, to obtain a range of "nano-objects" : complex molecules, nanoparticles, carbon nanotubes, graphene, micellar structures or colloidal, self-assembled compounds, solid nanostructured, or functionalized surfaces...

 
#106 - Màj : 30/07/2019
 

Pour obtenir des objets fabriqués avec des caractéristiques et des spécificités originales, la fabrication de matériaux moléculaires est abordée en assemblant des briques élémentaires, comme des atomes, des molécules simples ou complexes ou des nanostructures (nanotubes de carbone et feuilles de graphène notamment) sur des supports métalliques, minéraux ou organiques, du verre... par des procédés "du bas vers le haut" (ou "bottom-up"). 

Avec la maitrise d'instruments permettant de visualiser et manipuler les nano-objets, plusieurs procédés d'élaboration sont mis en oeuvre :

  • Synthèse de nano-objets en phase gazeuse (nanoparticules composites, tapis de nanotubes de carbone, ...)
  • Synthèse de nano-objets en phase liquide  (nanoparticules de métaux précieux, procédés sol-gel, ...)

La force des équipes de l'IRAMIS sur ce thème est d'associer les recherches sur les procédés d'élaboration, à celles sur la connaissance des propriétés fondamentales des nanos-objets, des mécanimes de leur assemblage, de l'organisation des structures résultantes et la caractérisation de leurs propriétés.
 

Selon le domaine (énergies bas carbone, nanosciences pour les technologies de l'information et de la santé (RF-TIS), interaction rayonnement-matière) plusieurs équipes de l'IRAMIS sont impliquées sur cette thématique.

En nanosciences, les interfaces sont des lieux où l'auto-assemblage moléculaire ou de nanoparticules est particulièrement original comme à l'interface air-eau (films de Langmuir de peptides, adsorption ionique spécifique) ou à l'interface huile-eau (émulsions stabilisées par des nanoparticules minérales ou des copolymères). L'auto-assemblage y résulte d'un bilan d'énergie entre des termes volumiques et des énergies interfaciales.

Les équipes étudient aussi les transferts à travers ces interfaces (cinétique de transfert eau-huile pertinent pour le traitement de déchets) ou les structures formées cinétiquement par des assemblées d'interfaces (séparations de phases de copolymères blocs ou de solutions concentrées de polymères).

Les nouvelles sources de transformation d'énergie (thermoélectricité, photo-voltaïque) nécessitent aussi de maîtriser au mieux les transferts d'espèces (souvent chargées) aux interfaces.

Enfin la maitrise de procédés d'élaboration et d'assemblage de composants en microfluidique, trouveront de nombreuses applications :  réalisation de médicaments, thermoélectricité, récupération de chaleur, ...

L'incorporation de nano-objets ou la nanostructuration (à une échelle < 100 nm) au sein d'un matériau (solide cristallisé ou matière molle) permettent d'élaborer des "nanomatériaux" aux propriétés physico-chimiques nouvelles (réactivité chimique, propriétés mécanique ou électrique, biologique...). Les structurations obtenues peuvent s'étendre du niveau moléculaire, au niveau mésoscopique, jusqu'au niveau macroscopique, chaque niveau d'organisation pouvant apporter des propriétés physico-chimiques originales.

De nouvelles techniques et procédés sont mis au point pour la réalisation de ces nanomatériaux à l'état solide : chimie, broyage,  manipulation de poudres, mélange, ultra sons, irradiation... Dans ces nanomatériaux secs et durs, les grains nanométriques sont en contact direct avec une densité d'interfaces très élevée.

Pour l'élaboration de "matière molle" nanostructurée, d'autres procédés passent par des voies liquides (fluidique et microfluidique) en mettant à profit des propriétés chimiques ou même biologiques d'objets d'origine organique ou inorganique de taille mésoscopique, de formes diverses, soumis à l'agitation thermique et interagissant sous l'effet de forces de dispersion ou électrostatiques.

Au sein des liquides ou dans les matériaux, les mécanismes d'auto-assemblage au cours de l'élaboration (couplage entre entités élémentaire, diffusion, auto-organisation, effets dynamiques...) sont le plus souvent très présents.

La mise au point de ces procédés d'élaboration présente encore de nombreux aspects très fondamentaux (nature des interactions entre "grains de matière", thermodynamique associée, diagramme de phase et transitions associées...) inséparable de l'attrait industriel pour ces nanomatériaux aux propriétés si originales. Concernant la matière molle on peut noter l'importance de l'étude de leur formulation et de s proprités de transport de poudres, de pâtes, de boues, d'émulsions ou de matières plastiques, dont il faut maîtriser l'écoulement et les propriétés mécaniques.


 

Le développement des nanotechnologies s'appuie de plus en plus sur la logique d'assemblage spontané (auto-assemblage) ou non, des briques élémentaires que sont les nanoparticules. On souhaite ainsi mettre à profit les propriétés intrinsèques des nanoparticules comme leurs propriétés plasmoniques, leur grande surface spécifique ou encore leur réactivité et celles de leurs assemblages sous forme de matériaux, de membranes de nanofiltration ou encore de cristaux photoniques. Dans tous les cas une première étape consiste à maitriser la synthèse de ces objets en terme de quantité, de taille et de distribution. Ce contrôle ne peut pas être obtenu uniquement par des méthodes classiques d'essais-erreurs. Les laboratoires de l'IRAMIS développent ainsi une analyse mécanistique des processus de nucléation croissance de ces objets en couplant :

  1. ) des réacteurs de mélange controlés (microfluidique en phase liquide, pyrolYse laser en phase gaz)
  2. ) des chimies douces (température ambiante et majoritairement dans l'eau)
  3. ) des techniques d'analyse in situ (lumière, SAXS, WAXS, XAS, SANS...) et des analyses théoriques classiques et atomistiques, pour étudier le processus de synthèse avec les résolutions nécessaires (spatiale et temporelle)

Des études sur l'impact potentiel des nanoparticules sur l'environnement sont également conduites.

La plupart des synthèses chimiques sont réalisées en milieu liquide. Pour l'élaboration de nanoparticules et les nanomatériaux, de multiples méthodes de synthèse en phase gaz se révèlent particulièremetn utiles et performantes .

L'équipe LEDNA du NIMBE a ainsi plus particulièrement réalisé des développement originaux pour l'élaboration et la caractérisation de nano-objets en phase gaz :

 

 

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