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Exfoliation de phases minérales 2D, leurs dépôts en couches minces et applications
Lina Cherni
Thu, Jan. 26th 2023, 14:00-17:00
INSTN, Amphi J. Horowitz, CEA-Saclay

Résumé :

Cette thèse est dédiée à l’étude d’une sélection de matériaux 2D formés par des couches chargées négativement, notamment l’acide phosphatoantimonique, la bentonite et des aluminophosphates lamellaires. Ces matériaux sont choisis pour les différentes porosités de leurs feuillets qui peut leur conférer un éventail de domaines d’application. Leurs synthèses sont réalisées suivant des protocoles déjà publiés. Leur exfoliation en phase liquide permet l’étude de la structure de leurs feuillets ainsi que de leurs propriétés à l’échelle nanométrique.

Dans le cadre de cette thèse, nous rapportons les premiers essais d’exfoliation des aluminophosphates lamellaires dans des solvants verts. La bentonite est une argile dont l’exfoliation se fait par mise en contact de l’eau. Tout comme les argiles, l’acide phosphatoantimonique donne une suspension colloïdale dans l’eau. Cette dernière se caractérise par un pH acide. L’étude de sa neutralisation par ajout de bases alcalines a permis de découvrir un comportement inédit de ces feuillets. Nos travaux montrent que ces derniers arrivent à repasser de leur état exfolié à l’état cristallin. Étant exfoliés, ces matériaux sont utilisés pour développer des compositions liquides en présence de molécules tensioactives. Le but est de permettre la réalisation de films fins de nanofeuillets par une nouvelle méthode de dépôt développée au CEA. Cette dernière est basée sur le transfert des nanofeuillets confinés dans un film d'eau stabilisé par des tensioactifs. Les résultats présentés incluent les caractérisations par des moyens de microscopie électronique à balayage (MEB) et de microscope à force atomique (AFM) des feuillets individuels et des films réalisés à partir de cette méthode de déposition.

Cette approche permet d’obtenir des dépôts d’épaisseurs variables et contrôlables, allant de la monocouche à des multicouches en ajustant la concentration des feuillets. De plus, cette approche permet le transfert de films de nanofeuillets sur des surfaces de différentes natures ce qui ouvre de nombreuses perspectives d’utilisation. Ceci est illustré dans cette thèse par nos premiers résultats pour la formation de couche de protection anti-graffiti ou encore comme couche anti-rouille.

Mots clés : Matériaux 2D, Exfoliation, Solvants verts, Assemblage, Ré-empilement, Films de tensioactifs, Protection de surfaces.


Exfoliation of 2D mineral phases, their deposition in thin layers and applications

Abstract:

This thesis is dedicated to the study of a selection of 2D materials formed by negatively charged nanosheets, in particular phosphatoantimonic acid, bentonite and lamellar aluminophosphates. These materials are chosen for the different porosities of their layers, which can give them a wide range of applications. Their syntheses are carried out according to protocols already published. Their exfoliation in the liquid phase allows the study of the structure of their sheets as well as their properties at the nanometric scale.

As part of this thesis, we report the first exfoliation tests of lamellar aluminophosphates in green solvents. Bentonite is a clay whose exfoliation is done by bringing it into contact with water. Like clays, phosphatoantimonic acid forms a colloidal suspension in water. The latter is characterized by an acidic pH. The study of its neutralization by adding alkaline bases has made it possible to discover an unprecedented behavior of these layers. Our work shows that the latter manage to return from their exfoliated state to the crystalline state. Once exfoliated, these materials are used to develop liquid formulations in the presence of surfactant molecules. The goal is to allow the production of thin films of nanosheets by a new deposition method developed at the CEA. The latter is based on the transfer of nanosheets confined in a Newton film of water stabilized by surfactants. The results presented include scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscope (AFM) characterizations of individual sheets and films made from this deposition method.

This approach makes it possible to obtain deposits of variable and controllable thicknesses, ranging from monolayers to multilayers by adjusting the concentration of the layers. In addition, this approach allows for the transfer of nanosheet films on surfaces of different natures, which opens up many usage prospects. This is illustrated in this thesis by our first results for the formation of an anti-graffiti protective layers or even as an anti-rust layer.

Keywords: 2D materials, Exfoliation, Green solvents, Assembly, Re-stacking, Surfactant films, Surface protection.

 

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