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Plonger au cœur de la synthèse de nanomatériaux avec la microscopie électronique en milieu liquide

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La maîtrise des propriétés des nanomatériaux implique un contrôle de leur taille et de leur forme lors de la phase de synthèse. Optimisée de manière empirique, la fabrication de nanoparticules (NPs) métalliques de forme anisotrope requiert une meilleure compréhension des mécanismes de nucléation-croissance. Le principal verrou provient de la difficulté à sonder en solution et aux échelles spatiale et temporelle adéquates, la nature dynamique de la formation atome par atome des nano-cristaux. Une technique de microscopie environnementale inédite dans l’hexagone a été implémentée sur le microscope électronique en transmission (MET) de dernière génération du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (Le Super TEM). Cette méthode consiste à confiner un film de liquide suffisamment mince pour être transparent aux électrons entre deux membranes de nitrure de silicium et de contrôler la composition de l’environnement avec un système micro-fluidique qui permet d’injecter séparément plusieurs réactifs au niveau de la fenêtre d’observation. En combinant les capacités d’imagerie du Super TEM et ce nouveau porte-objet, nous pouvons imager la structure atomique de NPs immergées en solution avec une résolution inférieure à 0,2 nanomètre. Cette innovation a récemment été exploitée pour élucider les mécanismes de formation de nanoparticules planaires (nano-plaquettes) d’or activée par réduction d’acide chloraurique dans l’eau. Lors de cette expérience, les agents réducteurs sont des radicaux créés par le faisceau d’électrons par radiolyse des molécules d’eau. La dose d’électrons étant un paramètre finement ajustable dans un MET, on peut ainsi moduler la vitesse de croissance des nanomatériaux. Grace à ce contrôle sur la force motrice de la synthèse, les chercheurs du laboratoire ont montré que la croissance de nano-plaquettes nécessite de faible vitesse de croissance, inférieure à 3 couches atomiques par seconde. Par ailleurs, une croissance planaire est également conditionnée aux défauts cristallins qui se forment lors des premiers stades de la synthèse. Une macle est une association orientée de deux ou plusieurs cristaux identiques, qui engendre une brisure de la symétrie cristalline autorisant la formation de NPs anisotropes. L’adhésion des atomes d’or étant favorisée le long des plans maclés, la formation d’une nanoplaquette implique que ces macles soient parallèles les unes aux autres. Ces résultats expliquent de manière quantitative la pertinence des stratégies employées en chimie des colloïdes pour fabriquer des nano-plaquettes métalliques. Cofinancée par la mission interdisciplinaire du CNRS et le Labex SEAM, la microscopie électronique en milieu liquide ouvre de multiples perspectives pour mieux comprendre des processus dynamiques aux interfaces entre les liquides et les solides, qui jouent des rôles centraux en sciences des matériaux, de la terre et du vivant.

Figure :

Image de microscopie électronique à balayage des deux types de particules (plaques et tridimensionnels) obtenues par croissance en milieu liquide et suivi in situ par microscopie électronique à transmission.

Contact :

damien.alloyeau@univ-paris-diderot.fr

Référence :

Unravelling Kinetic and Thermodynamic Effects on the Growth of Gold Nanoplates by Liquid Transmission Electron Microscopy, D. Alloyeau, W. Dachraoui, Y. Javed, H. Belkahla, G. Wang, H. Lecoq, S. Ammar, O. Ersen, A. Wisnet, F. Gazeau, and C. Ricolleau, Nanoletters 15, 2574 (2015).