Auto-assemblage de nanoparticules Janus

par Nicolò Castro

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Patrick Davidson et de Benjamin Abecassis.

Soutenue le 05-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Solides (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Giuseppe Foffi.

Le jury était composé de Patrick Davidson, Benjamin Abecassis, Giuseppe Foffi, Bertrand Donnio, Michel Goldmann, Élodie Bourgeat-Lami.

Les rapporteurs étaient Bertrand Donnio, Michel Goldmann.


  • Résumé

    L’expression "Nanoparticules Janus" est utilisée pour se référer aux nanoparticules colloïdales faites de deux moitiés qui présent deux propriétés physiques et/ou chimiques différentes. Au cours des dernières années, plusieurs études théoriques ont été publiées sur les possibilités d’auto-assemblage offertes par ces particules (en particulier par Sciortino, F. et al.), mais peu de travail expérimental a été fait sur ce sujet. Les études théoriques suggèrent que beaucoup de comportements intéressants apparaissent quand la taille des particules s’approche de la portée d’interaction des forces en jeu (des dizaines de nanomètres dans le cas des forces de Van der Waals et des forces hydrophobes). Dans ce manuscrit, nous montrons la formation d’agrégats des hétérodimères de Au–SiO₂ d’une taille inférieure à 100nm. L’auto-assemblage a été déclenché par un échange du ligand hydrophile sur la surface de l’or par un ligand hydrophobe induisant une interaction attractive. L’assemblage a été suivi par spectroscopie d’absorption résolue dans le temps et diffusion des rayons X aux petits angles. Nous avons constaté que les thiols les plus courts ont une période d’induction plus longue et forcent les particules à se rapprocher davantage, comparé à des thiols avec des chaînes plus longues. Nous étudions également un second système : des nanoplaquettes de CdSe. Celles-ci sont des objets quasi-2D en matériau semiconducteur avec des propriétés optiques uniques. Ces propriétés résultant de leur taille réduite dans une dimension. Du fait de leur nouveauté et de leur particularité, leur nucléation et le remarquable mécanisme de croissance de ces particules sont toujours étudiés. Ainsi nous avons suivi leur synthèse par SAXS et WAXS in situ, afin d’obtenir des informations en ce qui concerne ces deux étapes, et notamment d’étudier la déformation de certains de ces systèmes sous forme de feuillets enroulés de CdSe. Les nanoplaquettes de CdSe ont été aussi utilisés pour créer des structures hybrides CdSe–Au. La combinaison de ces deux matériaux a déjà montré des effets uniques, comme une meilleure efficacité catalytique et, combiné avec la dimension réduite et le contrôle des plaquettes, pourrait aboutir à des caractéristiques encore plus intéressantes. Nous proposons une méthode de synthèse qui aboutit à la formation de petites sphères d’or sur les coins des plaquettes. Nous montrons que la taille des sphères dépend de la quantité de précurseur utilisée, et des images de microscopie électronique à haute résolution mettent en évidence la structure cristalline des deux matériaux.

  • Titre traduit

    Self-assembly of Janus Nanoparticles


  • Résumé

    "Janus nanoparticles" is the term used to refer to colloidal nanoparticles made of two halves with different physical and chemical properties. Over the last years, several theoretical studies have been published on the self-assembly possibilities offered by these particles (in particular by Sciortino, F. et al.), but little experimental work has been done on them. The theoretical studies suggest that many interesting behaviors appear when the size of the particles approaches the interaction range of the forces at play (tens of nanometers in the case of van der Waals and hydrophobic forces). In this manuscript, we show the formation of clusters of Au–SiO₂ heterodimers with sizes of less than 100nm. The self-assembly was induced by exchanging the hydrophilic ligand on the Au surface with a hydrophobic one, which provided the attractive interaction. The assembly was followed by time-resolved absorption spectroscopy and small-angle X-ray scattering. We found that shorter thiols have a longer induction period, and cause the particles to come closer together, compared to thiols with longer tails. We also study a second system: CdSe nanoplatelets. These are semiconducting quasi-2D structures with unique optical properties. These properties result from their reduced size in one of the dimensions. Because of their novelty and particularity, the nucleation and growth mechanism of these particles is still being studied. We followed the synthesis using in-situ SAXS and WAXS, to obtain information with regards to this mechanism and to study the deformation which occurs in some of these systems which leads to rolled up sheets of CdSe. The CdSe nanoplatelets were also used to create hybrid CdSe–Au structures. The combination of these two materials has already proven to produce unique effects such as enhanced catalysis and, combined with the reduced dimensionality and control of the platelets, could result in even more interesting characteristics. We propose a synthesis method which results in the formation of small gold spheres on the corners of the platelets. We show that the size of the spheres depends on the amount of precursor used, and show high resolution electron microscopy images which highlight the crystalline structure of both materials.


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