Le département D2 regroupe trois équipes du laboratoire ITODYS : "Plasmonique, Raman Exalté de Molécules en Surface" (PREMS), "Ingénierie des Molécules et Matériaux" (I2M) et "Nanomatériaux pour l’Energie, l’Environnement et la Catalyse " (NE2C). Les thématiques développées sont centrées sur la caractérisation et la mise en œuvre de nano-objets (particules, matériaux hybrides organique-inorganiques, réseaux 2D de particules, etc.) pour différentes applications à l’interface de la physique, de la chimie et de la biologie.
Axe A.1.
Le D2 offre de multiples compétences en synthèse de matériaux à l'échelle nanométrique.
• Développement de méthodes de chimie douce et compréhension des mécanismes de nucléation et de croissance.
• Méthodes bio-assistées reposant sur l’utilisation de micro-algues et de cyanobactéries.
• Lithographie électronique et modifications chimiques de surface.
Clichés de microscopie électronique de
a) particules de composition et de morphologies variées préparées par le procédé polyol ;
b) nanoparticules d’or dans les cellules végétatives d’algues et relarguées, enrobées par des exo-polysaccharide, dans le milieu de culture ;
c) réseau lithographié de nanoparticules coeur@coquille.
Axe A.2. Fonctionnalisation
Le D2 démontre une solide expertise en fonctionnalisation de surface de nanoparticules par des agents de couplage qui sont essentiellement des organosilanes, des phosphonates et des sels de diazonium pour apporter une fonctionnalité différente en surface ou qui jouent le rôle d’amorceur de polymérisation pour permettre la croissance de chaînes de polymère (ou oligomères) à partir de la surface (SI-ATRP).
Structures plasmoniques d’or thermosensibles :
caractérisation en solution aqueuse par microscopie AFM en fonction de la température extérieure.
L’expertise du D2 s’étend aussi à l’étude de la nature de la liaison chimique entre agents de couplage et nanoparticules par des études à la fois expérimentales et numériques (dynamique moléculaire, calcul ab initio….).
Axe A.3. Organisation et mise en forme
Le D2 possède aussi des compétences de mise en forme de matériaux inorganiques et hybrides organiques-inorganiques (essentiellement polymères-nanoparticules) sous forme de nanostructures lithographiées ou consolidées, de films minces ou de colloïdes, grâce à l’utilisation d’outils adaptés à chaque échelle.
Axe B.1. Influence de la micro-structure, de la morphologie et des interfaces sur les propriétés magnétiques
Une partie des activités de recherche du D2 est tournée vers l'étude des propriétés magnétiques de nanostructures préparées par chimie douce (métaux, oxydes, composites granulaires). Ces études visent à corréler propriétés magnétiques et micro-structurales.
Ces recherches ont conduit à :
- la mise au point de substrats granulaires pour l’enregistrement magnétique haute-densité.
Fonctionnalisation de la surface de nanoparticules à forte anisotropie magnétique pour moduler les interactions dipolaires au sein d’assemblages magnétiques.
- l'élaboration de nouveaux aimants permanents, en utilisant les nano-objets magnétiques préparés comme briques élémentaires.
- de fluides magnétiques pour des applications biomédicales.
- des céramiques magnétiques nanostructurées pour l’utilisation dans le domaine des hyperfréquences.
- de matériaux magnétocaloriques pour la réfrigération magnétique domestique.
Axe B.2. Coupler plusieurs propriétés ferroïques
La mise au point de matériaux multiferroïques extrinsèques nanostructurés constitue également une partie de nos activités de recherche, qu'il s'agisse de matériaux i) flexibles autosupportés (Figure 4) ou ii) tout inorganiques. Dans le cadre de ces travaux, la corrélation entre structure et propriétés magnéto-électro-élastiques est particulièrement étudiée.
Microstructures de deux polymorphes du PVDF (α et β) observées par microscopie à force atomique et diffractogrammes de leurs films.
Axe B.3. Sonder localement l’environnement chimique et physique des nanostructures plasmoniques
Une partie des activités de recherche du D2 est tournée vers l’étude :
- du mécanisme de chimisorption de molécules bifonctionnelles sur des bâtonnets d’or colloïdaux, en combinant la spectroscopie SERS et des calculs DFT.
- des mécanismes à l’origine de l’exaltation de surface du signal Raman mettant en évidence l’influence de la rugosité de surface de particules d’or lithographiques sur les propriétés optiques et la réponse SERS de ces structures plasmoniques
- des effets de couplage à longue distance ainsi que de l’effet Fano révélés sur des réseaux périodiques de nanoparticules d’or lithographiques avec in fine des perspectives originales en SERS
Images MEB de nanorubans avant (droite) et après recuit (gauche). Le signal SERS du bleu de méthylène est enregistré en fonction de la direction de polarisation incidente. Après recuit (surface lisse), l’intensité SERS suit le caractère dipolaire de la résonance plasmon en champ lointain.
Axe B.4. Induire et suivre des transformations physico-chimiques par excitation plasmon
Les travaux du D2 ont permis de montrer qu’il était possible de coupler les propriétés optiques de nanoparticules de métaux nobles et les propriétés photochimiques de molécules pour induire sous excitation laser des transformations réversibles (cycloaddition de photochromes) ou irréversibles (greffage de films aryl dérivés de sels de diazonium sur des structures plasmoniques). Ces systèmes hybrides intégrant par exemple des commutateurs optiques organiques () et des réseaux de nanoparticules d’or s’inscrivent plus largement dans le domaine de la plasmonique active.
Forme ouverte et fermée du diarylethène (gauche) ; Surperposition du spectre plasmon d’un bâtonnet d’or et du spectre optique du diarylethène (droite).
Axe C.1. Nanomédecine et écotoxicologie
Au sein du département D2, nous développons :
- la synthèse et à la fonctionnalisation de systèmes nanohybrides à base de nanoparticules (NPs) d’oxyde de fer destinés à des applications biomédicales.
- la synthèse de molécules actives contre les infections bactériennes et la maladie de Parkinson.
- la détection par SERS de traces dans la salive d’un agent cationique antibactérien, la Chlorhexidine (CHX), antiseptique recommandé pour la réalisation des soins de bouche chez les patients en réanimation.
Axe C.2. Détection et décontamination
En collaboration avec le Pr. C. Mangeney (Univ. Paris Descartes), il a été développé une approche originale pour greffer des polymères à empreinte moléculaire autour de bâtonnets d’or en combinant la chimie des sels de diazonium avec la méthode dite « iniferter ». Cette stratégie permet d’obtenir des capteurs plasmoniques hautement sélectifs.
Nous nous intéressons également à la dépollution des métaux lourds par moisson magnétique grâce à l’élaboration de plusieurs systèmes nanohybrides utilisant des nanoparticules de maghémite portants différents types de chélateurs comme des cyclodextrines, des calixarenes et des di- et poly-amidoxime.
Front cover de Chem. Mater.
Axe C.3. Nanomatériaux pour l'énergie et la catalyse
Le département D2 est fortement impliqué dans certaines thématiques actuelles autour de l’énergie :
- la production d’électricité par thermoélectricité.
- la production d’hydrogène (électrocatalyse).
Microsphères ultraporeuses de IrOx : structures optimales pour la preparation de couches catalytiques hautement poreuses.
https://doi.org/10.1002/aenm.201802136
Nous nous intéressons également aux propriétés catalytiques des matériaux que nous développons :
- nanoparticules pour la dégradation de polluants aromatiques.
- zéolithes pour le craquage catalytique des alcanes.
- nanoparticules métalliques de morphologie bien contrôlée pour la déshydrogénation oxydante d’alcools secondaires sans accepteur de proton.