Dynamics of ligands on gold surfaces to obtain Janus nanoclusters : a theoretical and experimental investigation

par Jesus Gustavo Lugo Preciado

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Corinne Chanéac et de Françoise Remacle.

Soutenue le 13-09-2016

à Paris 6 en cotutelle avec l'Université de Liège , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (laboratoire) .

Le jury était composé de Anne-Sophie Duwez, Jeremy Harvey, Monica Calatayud-Antonio, Bernard Leyh.

  • Titre traduit

    Dynamique d'échange de ligands sur des sufaces d'or pour obtenir des nanoclusters Janus : une approche théorique et expérimentale


  • Résumé

    Une étude théorique couplée à une partie expérimentale a été entreprise sur la dynamique de l'échange de ligand sur des surfaces de nanoclusters (GNC) dans le but de montrer qu'il était possible de contrôler les propriétés structurales et optiques de GNC à travers la composition de la couronne de ligand. Nos études de calcul ont été effectuées par la théorie fonctionnelle de la densité en chimie quantique (approche Kohn - Sham). Nous avons analysé les principales caractéristiques UV - Visible des spectres calculés par TD - DFT / niveau de CAMB3LYP pour les clusters métalliques Au13, Au25 et Au28 protégées par des ligands thiolate, chlorure, et phosphine. Nos résultats montrent qu'il est possible de régler l'énergie de la bande d'absorption la plus basse des clusters d'or par une répartition spécifique des ligands qui contrôle de fait la répartition des charges entre la couronne de ligand et le noyau métallique.En parallèle, nous avons synthétisé une série de clusters de composition Au25 (ATP)x (TP) 18 - x avec 4ATP (4 - aminothiophénol) et TP (thiophénol) par synthèse directe et par échange de ligands. Les mesures de spectroscopie de masse ESI - MS montrent que la nucléarité Au25 est préservée pour tous ces différents clusters. En revanche, l'échange de ligands TP par le DDT (1 - dodécanethiol) dans le mélange conduit à la formation de nanoparticules. Les mesures de spectroscopies IR confirment la présence de deux ligands différents sur la surface de l'or et les analyses SAXS montrent que nous avons une bonne corrélation entre la distance entre deux cœurs métalliques et la longueur du ligand de surface.


  • Résumé

    We performed a joint computational – experimental investigation of the dynamics of ligand exchange on gold nanoclusters (GNC) surface with the aim to understand how to control the structural and optical properties of GNC through the design of their ligand shell. Our computational studies were carried out in the framework of the Kohn – Sham implementation of density functional theory in quantum chemistry. We analyzed the main features of UV – Vis spectra computed at the TD – DFT / CAMB3LYP level for the Au13, Au25, and Au28 metallic cores protected by thiolate, chloride, and phosphine ligands. Our results show that it is possible to tune the energy of the lowest absorption band of gold clusters by ligand shell engineering in order to control the charge redistribution between ligand shell and metallic core.In parallel we synthesized a set of Au25(ATP)x(TP)18 – x clusters with different ATP/TP ratios using an adapted Demessence protocol by combining 4ATP (4 – aminothiophenol) and TP (thiophenol) ligands. ESI – MS measurements evidence that for these mixed ligand shells the Au25 nuclearity is preserved. However, the addition of the DDT (1 – dodecanethiol) ligand in the mixture leads to nanoparticle formation. FT – IR spectroscopy confirms the absorption of two different ligands on the gold surface and SAXS shows that we have a good correlation between the distance between two clusters and the length of the ligand protecting them.Finally, we carried out a comparison of the mode of binding and the structural and optical properties of the fully ligated PH3 and NHC GNC with metallic cores of different nuclearities.


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