Synthesis and functionalization

Trois flacons contenant des nanoparticules d'or en suspension. Les formes des nanoparticules sont différentes, ce qui confèrent des couleurs différentes. (Copyrights O. Pluchery)

Des nanoparticules en solution colloïdale

Les propriétés des nanoparticules d’or sont intrinsèquement dépendantes de leur forme, de leur taille, de leurs défauts cristallins et de la nature des molécules qui les enrobent. Il est donc essentiel de contrôler ces paramètres lors des synthèses de nanoparticules tout en maîtrisant leur dispersion en taille et/ou leur organisation spatiale lorsque qu’elles sont incluses dans des matrices ou déposées sur des surfaces. Depuis plus de 100 ans (après les premières synthèses de colloïdes par Michael Faraday), de nombreuses voies de synthèse ont été développées en solution aqueuse ou organique, avec pour objectif principal le contrôle de la taille. Celui-ci dépend entre autres de la nature et de la quantité d’agents/ligands stabilisant les particules.

Suspension colloïdale de nanoparticules en solution aqueuse. La couleur rouge est une propriété caractéristique des nanoparticules d'or.

Le rôle de l’agent stabilisant est important dans les étapes de synthèse en solution mais également pour les applications ultérieures des nanoparticules. Il doit stabiliser les nanoparticules en solution ou au contraire permettre leur assemblage et être compatible avec les matrices/solutions d’utilisation. Ainsi pour les applications de diagnostic et thérapie, les nanoparticules d’or doivent être biocompatibles. Les surfaces d’or sont faciles à fonctionnaliser par des thiols ou des amines. Le choix de l’agent stabilisant peut être fait au moment de la synthèse ou par post-fonctionnalisation par échange de ligand après la synthèse.

De nouvelles stratégies de synthèse

 

Le développement de nouveaux protocoles de synthèse colloïdale associés à une compréhension approfondie des mécanismes de formation et de croissance des nanoparticules reste un enjeu majeur. En particulier, le rôle de l’agent stabilisant sur la forme finale et la taille des nanoparticules, reste un point critique qui demande des développements en synthèse mais également en techniques de caractérisations.

 

Nanoparticules d’or de différentes formes par microscopie électronique à transmission. (Copryrights Fabienne Testard)
"Nanoparticule à patches", constituée d'une cage d'or à 12 fenêtres emprisonnant des billes de silice. (Copyrights M. Treguer-Delapierre)

Au-delà des nanoparticules d’or, les propriétés exceptionnelles des nanoparticules bimétalliques ont ouvert de nouveaux champs d’investigations avec des applications très prometteuses. La distribution des deux métaux dans la particule (alliage homogène, ségrégation d’un des métaux en surface ou dans le volume) influence les propriétés, et doit être maîtrisée lors des étapes de synthèse.

Nanoparticules d’or auto-organisées en 3D (Copyrights S. Marguet)

Des nanoparticules organisées pour obtenir de nouvelles propriétés

La dispersion de nanoparticules dans des polymères ou encore l’assemblage de nanoparticules monodisperses en forme et taille permet d’obtenir une multitude de matériaux (matériaux composites, metasurfaces, metamatériaux)  aux propriétés encore très peu étudiées. La synthèse, la fonctionnalisation et l’organisation des nanoparticules est donc un point clef pour aller vers de nouveaux objets complexes et la découverte de nouvelles propriétés (par exemple dans le domaine de l’optique et de la plasmonique pouvant être confrontés aux modèles théoriques développés dans ces différents domaines.


Pour aller plus loin