204 - Nanomatériaux : avancées d’aujourd’hui pour les applications de demain

L'utilisation du biomimétisme est devenue un élément essentiel dans l’élaboration de méthodes vers une production d'énergie durable. Cependant, l’utilisation directe de systèmes biologiques tels que les protéines est très limitée car ces systèmes sont optimisés pour une efficacité maximale dans des conditions environnementales étroites de température, de pH, etc. Afin de développer des systèmes robustes et efficaces dans un très large éventail de conditions environnementales, nous avons conçu des nanoréacteurs qui utilisent les propriétés physiques des biosystèmes à base de matériaux synthétiques. Le facteur le plus important qui influe sur l'efficacité des nanoréacteurs biologiques est la combinaison de (1) l'effet du confinement à l'intérieur des réacteurs et (2) d'un catalyseur utilisé pour améliorer la cinétique de la réaction. Le nanoréacteur que nous avons développé utilise une matrice de polymères auto-assemblés produisant des cavités hydrophobes (2-3 nm) dans un milieu aqueux - le confinement lié à ces nanocavités contrôle la thermodynamique dans le réacteur. Le centre actif du nanoréacteur est obtenu par réduction in situ d'AuCl produisant des couches d'or minces d’une épaisseur d’un atome. La monocouche d'or a montré une efficacité catalytique très élevée par rapport au nanocatalyseur de Pt obtenu dans les mêmes conditions. La synthèse, la stabilité et la caractérisation des nanoreacteurs ainsi qu’une étude cinétique complète d'une réaction modèle seront présentées.

Au cours des dernières années, des efforts ont été déployés pour mettre au point des outils novateurs permettant de réaliser une imagerie multiplexée de biomarqueurs. La détection de biomarqueurs en imagerie multiplexe est importante pour le développement de traitement personnalisé. L'imagerie par spectroscopie Raman avec des sondes à base de nanotube de carbone apparaît comme une méthode de choix pour la détection simultanée de ces marqueurs. La spectroscopie Raman est une technique puissante donnant des informations sur les vibrations moléculaires, mais le signal Raman est trop faible pour être utilisé dans des applications d'imagerie. Nous avons développé une sonde avec des signaux de diffusion Raman largement améliorés pour permettre l’imagerie Raman multiplexe. Constituée d’un assemblage de colorants agrégés à l'intérieur de nanotubes de carbone, nous avons élaboré une librairie de sondes pour le multiplexage différents colorants. Une fonctionnalisation des parois externes avec des anticorps nous permet de détecter des biomarqueurs de façon sélective. Enfin, en utilisant l’imagerie hyperspectrale Raman, nous démontrons que les sondes ciblent efficacement leurs antigènes respectifs sur des surfaces imprimées par microcontact et de cellules cancéreuses. Ces résultats démontrent que les marqueurs Raman composés de nanotubes de carbone modifiés sont prometteurs pour la détection de biomarqueurs, ce qui permet d’envisager des applications en immunodétection.

Les composés organométalliques, tels que les carboxylates de cuivre et d'argent, forment une nouvelle classe d'encres conductrices aux propriétés uniques qui offrent de nouvelles opportunités en électronique imprimable. Ces encres moléculaires sont des composés qui, lors du chauffage, se décomposent dans leur état métallique pour donner des traces conductrices. Ces matériaux se distinguent des encres conductrices classiques utilisées dans les produits électroniques imprimables en ce qu’ils ne contiennent pas de nanoparticules métalliques ni de flocons. Ils sont imprimés et traités dans leurs états moléculaires. Ainsi, leur nature moléculaire offre des avantages par rapport aux encres conventionnelles telles qu'une amélioration de l'imprimabilité, des propriétés mécaniques robustes, une conductivité électrique élevée et la possibilité d'utiliser ces encres de manière inhabituelle. Notre objectif de recherche est de comprendre comment les composés organo-métalliques se décomposent pour former des films métalliques. Avec une compréhension du mécanisme de décomposition, la structure moléculaire des composés peut être optimisée pour améliorer les propriétés de l'encre. Cette présentation mettra en évidence le progrès que nous avons réalisé dans la compréhension et l’optimisation des encres à base de formiate de cuivre et de carboxylate d’argent, et présentera leur utilisation dans des applications uniques.

Les jonctions métal/molécule/métal à grande surface à base de monocouches autoassemblées d'organothiolates servent à l’étude du transport de charges à travers des films organiques ultraminces, ainsi que pour la fabrication de dispositifs électroniques moléculaires. Des travaux récents démontrent une dépendance paire-impaire du courant tunnel à travers les monocouches isolantes de n-alcanethiolates (CH₃C_nS) et les monocouches électroactives de ferrocénylalcanethiolates (FcC_nS). Cet effet pair-impair a été attribué à des différences d'orientation du groupement chimique terminal et du tassement des chaînes alkyles dans les monocouches constituées d'un nombre pair versus un nombre impair de groupements méthylène.

Nous avons recherché des preuves expérimentales de l’effet pair-impair sur l'organisation moléculaire de ces monocouches par des mesures de spectroscopie infrarouge d’absorption par réflexion (IRRAS), de spectroscopie d’impédance électrochimique et de micromécanique. Les résultats de ces études seront présentés dans cet exposé.

La synthèse de films minces TiO2@ carbone est réalisée par l’injection d’une suspension nanocolloïdale sous forme d’aérosol de TiO2 (taille d’environ 20 nm) dans de l’isopropanol (IPA) en utilisant une décharge contrôlée par barrière diélectrique (DBD) générée avec le mélange gazeux N2/N2O à pression atmosphérique et à la température ambiante (AP-DBD). L’effet de la tension appliquée sur la mouillabilité de surface des films obtenus est évalué en variant le voltage de 3.2-8 kV. Les films minces TiO2@ carbone présentent un changement important dans leur angle de contact (WCA).En effet, la WCA est passée de 93° pour la poudre de référence TiO2 (sans plasma) à 5° pour les films déposées avec un plasma opérant à 8 kV. Il a été démontré que la propriété hydrophile des films TiO2 exposés au plasma dépend principalement de la rugosité de la surface et/ou de la composition chimique. Les images de microscopie électronique à balayage (MEB) montrent que la rugosité augmente lorsque le voltage appliqué augmente. Les motifs XRD des films TiO2 déposée à différents voltages ont les mêmes propriétés cristallines que la poudre TiO2 de référence. Les tailles des nanocristaux d’anatase et de rutile sont égales à (19,2 0,8) nm et (27,8 1,1) nm. Les résultats de la spectroscopie par photoélectrons X (XPS) montrent un changement dans les états de surface du titane et de l’oxygène en augmentant le groupe hydroxyle (-OH) qui tendent à donner plus de caractère hydrophile aux films.

Les propriétés uniques conférées aux nanoparticules métalliques par les plasmons de surface localisés pavent la voie à tout un éventail de nouvelles découvertes. Par exemple, la corrélation entre la fréquence caractéristique de la résonance plasmonique et l’indice de réfraction de l’environnement immédiat des nanoparticules rend possible les applications dans le domaine des capteurs chimiques. Dans le cas d'assemblages de nanoparticules, le couplage au sein des structures peut augmenter considérablement la sensibilité de la fréquence plasmonique aux changements locaux. Afin d'exploiter ces propriétés, des méthodes abordables doivent être développées pour la production d'assemblages ordonnés de nanoparticules sur une superficie macroscopique. Ce défi est abordé dans notre laboratoire par l’auto-assemblage de nanoparticules métalliques dans des gabarits périodiques formés par des copolymères à bloc amphiphiles. Nous nous intéressons particulièrement à l’organisation des nanoparticules en forme d’anneau. Ces structures résultent de l’assemblage spontané des nanoparticules métalliques à la périphérie des domaines circulaires formés par les segments hydrophobes du copolymère lorsqu’étalé à l’interface air-eau. Dans cette présentation, nous montrerons comment cette méthode d’auto-assemblage permet la modulation systématique des dimensions de la structure ainsi que son extension à la préparation de structures hybrides cœur-satellites.

Depuis plus de deux siècles, notre économie est principalement linéaire et carbure aux énergies fossiles. Cette économie est soutenue par une variété assez restreinte de matériaux et structures, avec les métaux de transition et précieux à la base, essentiels à la catalyse chimique, et les alliages métalliques pour les grandes infrastructures. Avec l’arrivée du nucléaire dans les années 70 et plus récemment des énergies renouvelables, ainsi que la transition au monde numérique dans tous les secteurs d’activité, nous observons une transition rapide vers d’autres types de matériaux qui sont plus rares et difficiles à exploiter (métaux précieux et terres rares). Certains croient, à tort ou à raison, que la transition vers les énergies renouvelables n’est pas si verte que l’on nous laisse croire. Toutefois, un constat est clair : la transition vers les énergies renouvelables implique une électrification massive dans tous les secteurs d’activités. Le plasma, le quatrième état de la matière, est un milieu réactif entretenu à 100% par électricité (renouvelable) et offrant des conditions physiques et chimiques uniques pour la transformation, assemblage et recyclage des nanomatériaux, ainsi que le déploiement de l’électricité renouvelable aux procédés industriels. Dans cette présentation, je ferai état des enjeux primordiaux et de l’impact croissant des plasmas dans les avancés des nanomatériaux pour l’énergie, dans le contexte de la transition vers une économie verte et circulaire.

Des progrès significatifs dans le domaine de la catalyse ont été réalisés grâce à la compréhension des principes de réactions chimiques et à la conception minutieuse des réacteurs. Au cours des dernières années, la science des matériaux a contribué au domaine de la catalyse par approche holistique de la microstructure du catalyseur pour relier la composition, la cristallographie et la morphologie à ses performances. Au cœur du paradigme processus-structure-propriété, cette méthode a fourni une compréhension approfondie du comportement du catalyseur tout en jetant les bases d'une conception rationnelle de nouveaux catalyseurs.

Nous discuterons de nos travaux récents pour comprendre l’interaction complexe des catalyseurs spinelles et du milieu réactionnel qui régit le côté matériaux de l’interface. Nous avons produit plusieurs types de nanoparticules de ferrites mixtes en utilisant des réacteurs à plasma à induction et avons étudié leur comportement dans des conditions catalytiques. Nous examinons les changements de phase morphologiques, chimiques et cristallins se produisant dans les spinelles à différentes étapes du cycle de vie du catalyseur: synthèse, activation, réaction et désactivation à l'aide de techniques spectrales et de microscopie électronique en transmission avancées. Cette connaissance unique fournit des bases solides pour le développement de catalyseurs et de processus pour une gamme d'applications.

Les nanotubes de carbone mono-paroi de type semi-conducteur (sc-SWCNT) trônent au sommet des nanomatériaux les plus prometteurs pour l’électronique. De nombreuses démonstrations en laboratoire indiquent le potentiel des nanotubes de carbone pour les circuits logiques, les dispositifs radiofréquences, les mémoires ultra-robustes, les senseurs en tout genre sur des substrats conventionnels ou des surfaces flexibles et extensibles tels les textiles. Les avancés vers les applications commerciales engendrent de nombreux défis pour le développement du matériau, de sa caractérisation ainsi que des méthodes de fabrication, en particulier pour les technologies d’impression.

Les applications en électronique requièrent des sc-SCWNTs de grande qualité, et ce, en quantité suffisante. De toutes les méthodes d’enrichissement, celle utilisant des polymères conjugués se démarque des autres et peut répondre aux critères rigoureux imposés par certaines applications, en particulier l’électronique de haute densité. Les encres à base de sc-SWCNTs sont produites à grande échelle et sont utilisées dans les procédés de fabrication incluant l’impression par gravure, par vaporisation ou par jet d’encre.

Cette présentation couvrira trois sujets inter-liés : la métrologie, l’enrichissement et la fabrication de transistors. Je mettrai l’emphase sur les développements récents, avec une attention sur les matériaux connexes présents dans les dispositifs imprimés.

L’enrichissement des nanotubes de carbone (NTC) monoparois en espèces semiconductrices ouvre la porte à leur mise en œuvre par des techniques d’impression permettant ainsi la fabrication de grandes quantités de dispositifs électroniques tels que des transistors à effet de champ, et ce, à faible coût. Ce matériau étant doté d’une grande surface spécifique et ayant la totalité de ses atomes exposés à l’environnement, il offre ainsi une excellente opportunité pour la création de capteurs chimiques. Les capteurs chimiques à base de NTC démontrent une forte sensibilité à un grand nombre de composés, mais possèdent comme désavantage d’être pratiquement dénués de sélectivité, c’est-à-dire de la capacité à départager les analytes des interférences.

Nous allons démontrer l’usage de NTC enrichis en espèces semiconductrices dans des transistors à effet de champ afin de détecter des composés organiques volatils (VOC) ainsi que des polluants atmosphériques communs. Nous allons discuter de l’optimisation des matériaux entrant dans la composition des dispositifs comme moyen d’améliorer la sensibilité et/ou la sélectivité des capteurs de gaz. Finalement, nous allons faire une comparaison critique des méthodes de mesure des caractéristiques des dispositifs à base de NTC comme stratégies de détection de gaz.

La nanotechnologie a révolutionné la science des matériaux. Elle a notamment ouvert de nouvelles opportunités pour les composés à base de lanthanides. Ces matériaux possèdent des propriétés optiques et magnétiques hors de commun, comme la conversion ascendante de photon. En plus, les nanoparticules à base de lanthanides comme par exemple NaGdF4 : Yb3+, X3+ (X = Er, Tm ou Ho) sont connus pour émettre dans la fenêtre d’ouverture biologique (750 - 750 nm), ce qui est très attrayant pour des marqueurs d’imagerie biologique.

Le développement de méthodes fiables de synthèse de micro- et nanoparticules fut le sujetd’intenses recherches ces vingt dernières années. Néanmoins, peu d’attention a été accordée aux stratégies utilisant un réacteur micro-onde. Les micro-ondes permettent des réactions plus rapides grâce à une meilleure distribution de la température durant la réaction en question. C’est un instrument flexible, permettant de travailler avec différent composés précurseurs et de varier les conditions expérimentales, tout en contrôlant la taille et la phase crystalline des particules obtenues.

Cette présentation se concentrera sur la fabrication de nano et micro matériaux à base de lanthanides, les moyens de contrôler la taille et phase crystalline des matériaux ainsi que sur les applications potentielles.