MIcrofluidique pour GRaines d’ANIsotropie – MIGRANI

L'objectif général du projet MIGRANI est de comprendre le mécanisme de formation de nanoparticules anisotropes et plus spécifiquement des nanocylindres. Depuis, une dizaine d’année, pour répondre au fort potentiel d’application de ces nouveaux matériaux, de nombreuses voies de synthèse ont été développées. Expérimentalement, le contrôle de taille est mieux maitrisé et compris que le contrôle de forme et souvent, le developpement de polymorphisme et de pollution rend necessaire un tri de forme en fin de synthèse. Les mécanismes de formation de l’anisotropie au cours de la synthèse sont encore mal compris. C’est dans ce contexte que se place ce projet.
La stratégie en deux étapes généralement utilisée pour synthétiser des nanoparticules anisotropes est certainement à l’origine de la complexité du mécanisme. Une première étape rapide permet de produire des germes qui poussent ensuite dans une deuxième étape par croissance lente. Du point de vue expérimental, il est difficile de contrôler la synthèse de ces germes (tailles/formes/concentrations) à partir des méthodes classiques de laboratoire. Les germes très petits sont en effet difficiles à caractériser expérimentalement et théoriquement. La stratégie en deux étapes pose aussi un questionnement conceptuel sur l’origine de l’anisotropie. Le processus est il orienté pendant la synthèse des germes ou pendant la phase de croissance ? Les germes ne sont pas aussi anisotropes que les particules finales, mais ont-il en eux dès le début la structure qui oriente vers les matériaux anisotropes ou ce phénomène se développe-t-il pendant la phase de croissance et ce quelques soit la nature des germes ?
Le projet MIGRANI a l’ambition de comprendre le problème général du contrôle de la forme de nanoparticules dans la synthèse par voie humide en solution. Cette ambition requiert (i) d’obtenir des données expérimentales originales centrées sur l’apparition de l’anisotropie, (ii) un couplage fort entre les expériences et les simulations théoriques. Notre approche est donc en rupture avec celles plus classiques dans le domaine davantage axées sur les protocoles nécessaires pour produire de nouvelles particules. Quatre différents types de compétences complémentaires seront utilisés: la synthèse chimique, la mise au point de systèmes microfluidiques pour la production de germes, le développement des instruments pour la caractérisation et des développements théoriques et de simulation.
Nous avons choisi d’étudier les nanocylindres d'or et d’oxyhydroxyde de fer en raison de leur gamme d’applications potentielles. Pour l'or, le rendement final et la sélection de forme ne sont pas parfaits et les synthèses sont très sensibles aux conditions chimiques. Pour le fer, le contrôle de la taille est beaucoup moins optimisé du point de vue expérimental et les particules obtenues sont moins monodisperses.
Les puces microfluidiques seront utilisées pour produire les germes et améliorer la qualité de l'étape de croissance en garantissant un contrôle du mélange. Les germes et leur croissance seront suivis au cours du temps par des techniques de mesure de structures à différentes échelles de longueur (HR-TEM, cryo-MET, SAXS / WAXS, techniques UV). L'un des objectifs est de produire un corpus unique de données sur des germes en croissance de façon à servir de base à des modèles théoriques.
Du point de vue théorique, la principale question abordée sera la transition vers l’anisotropie. Plusieurs mécanismes seront examinés, tels que la croissance atome par atome pour lesquels la question principale sera le contrôle thermodynamique ou cinétique, ou l'agrégation dirigée qui implique plutôt des corrélations spatiales et d'orientation.
Pour effectuer les différentes tâches, un consortium interdisciplinaire de quatre laboratoires est proposé. Il bénéficiera de compétences et des efforts conjugués de physiciens (théoriciens et expérimentateurs) et de chimistes de nanoparticules.