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Mieux décrypter la surface des nanoparticules à l’échelle de l’atome

Une équipe de recherche composée entre autres de chercheurs de l’Institut Lavoisier de Versailles, a mis au point une méthode qui permet d’observer des nanoparticules sans qu’elles interfèrent avec un substrat. Il est ainsi possible de caractériser spécifiquement la surface des nanoparticules.

le 28 octobre 2014

Les perspectives sont nombreuses, en particulier pour les nanoparticules fonctionnalisées aux applications très prometteuses dans les domaines du biomédical ou de l’énergie. L’étude est publiée dans le Journal of Physical Chemistry Letters.

La spectrométrie conventionnelle de photoélectrons utilisant des rayons X (XPS) est la technique la plus utilisée pour étudier la surface d’un matériau. Elle donne en effet des informations sur la composition chimique sur une fine épaisseur, de quelques dizaines de couches d’atomes.
Pour étudier la surface de nanoparticules, il était jusqu’à présent nécessaire de les déposer sur un « support », un substrat. Mais les interactions entre les nanoparticules et le substrat, couplées à des effets de charge de l’échantillon, rendent l’interprétation des données XPS difficile.

Pour s’affranchir de ces perturbations, des équipes du CEA Iramis (1), du Synchrotron SOLEIL, de l’Institut Lavoisier de Versailles (UVSQ / CNRS) et de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université Rennes 1) ont conçu et développé un nouveau dispositif expérimental. Les chercheurs ont créé un « aérosol » de nanoparticules, qu’ils ont analysé grâce au faisceau de rayons X de basse énergie de la ligne de lumière PLEIADES (Synchrotron SOLEIL). L’interaction entre les nanoparticules et le faisceau, bien définie spatialement et temporellement, a été réalisée sous un vide poussé.

Les particules utilisées pour démontrer la faisabilité de la méthode sont des nano cristaux de silicium de 14 nm de diamètre (1 nm = 1 milliardième de mètre). Elles ont été synthétisées par pyrolyse laser au CEA Iramis et préalablement oxydées à l’air ambiant avant la mesure sur synchrotron.

L'expertise du centre de spectroscopie de l'Institut Lavoisier sur la physico-chimie et les réponses spectroscopiques des surfaces de silicium a permis de préciser les spécificités de la réponse XPS des nanoparticules étudiées. L'analyse des données obtenues sur PLEIADES a démontré l'existence d'une transition continue de l'interface Silicium pur/Silicium oxydé sur une épaisseur inférieure à 1 nm.

Les études scientifiques menées précédemment sur des objets similaires ont été réalisées avec des échantillons déposés sur un substrat. Mais l’interaction avec le substrat ne permettait pas de conclure sur l’origine des phénomènes observés. La nouvelle méthode proposée permet de discriminer les effets uniquement dus à la nanostructuration de la matière, en s’affranchissant des effets parasites liés au substrat.

Cette nouvelle méthode est de plus extrêmement sensible à toute modification intervenant à la surface de nanoparticules en interaction avec différents environnements chimiques. Elle pourra s’appliquer à la caractérisation d’une large gamme de nano-objets, et en particulier aux nanoparticules fonctionnalisées où des molécules actives, plus ou moins complexes, sont « ancrées » à la surface des nanoparticules. Grâce à la structuration spécifique de la matière à l’échelle nanométrique, ces nanoparticules fonctionnalisées présentent des propriétés optiques ou physiques particulières, susceptibles de trouver de nombreuses applications comme en imagerie par photoluminescence ou dans le traitement par thérapie ciblée des tumeurs.
Informations complémentaires
(1) L’Institut Rayonnement Matière de Saclay (CEA Iramis) est un des instituts de la Direction des sciences de la matière du CEA. Ses 650 chercheurs, ingénieurs-chercheurs et techniciens conduisent des recherche, souvent en association avec d'autres partenaires (CNRS, École Polytechnique et ENSICAEN...) dans différents domaines : la recherche fondamentale pour les technologies de l'information et de la santé, les interactions rayonnement-matière et les énergies bas carbone. Les chercheurs du CEA Iramis développent et maîtrisent de nombreuses techniques expérimentales aux échelles du nanomètre ou de l’attoseconde, ils sont aussi très présents sur les Grands Instruments Européens.

Référence de la publication :
« X-ray Photoelectron Spectroscopy of Isolated Nanoparticles »
Sublemontier, O.; Nicolas, Ch.; Aureau, D.; Patanen, M.; Kintz, H.; Liu, X.; Gaveau, M.-A.; Legarrec, J.-L.; Robert, E.; Barreda, F.-A.; Etcheberry, A.; Reynaud, C.; Mitchell, J.; Miron, C.
J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3399-3403
DOI: 10.1021/jz501532c