Microbulles de gaz à parois décorées de nanoparticules d’or ou de magnétite : des objets composites permettant l’étude de réponses magnétiques, magnéto-optique et optiques multi-échelles. – AirDeco

L’élaboration de microsphères décorées de nanoparticules (NPs) est un important défi pour le développement de nouveaux dispositifs pour la photonique, l’électronique et le stockage de l’information à haute performance. Des sphères, dures et souples, ont été utilisées comme gabarits pour l’auto-assemblage de NPs, les sphères creuses finales étant obtenues par destruction des gabarits. Une importante limitation de tous les systèmes existant est que les NPs sont en contact entre elles à la surface de la sphère, formant une paroi rigide et épaisse. Les NPs sont immobilisées spatialement, et leurs interdistances, et donc leurs interactions dipolaires, sont contraintes et non modulables. La taille des NPs, leur nombre et leurs interdistances contrôlent les propriétés magnétiques (superparamagnétisme, limite de monodomaine et interactions dipolaires) et optiques (position spectrale et largeurs des résonances des plasmons de surface). Une conséquence directe est que certaines de ces propriétés, susceptibles d’apparaitre en contrôlant la distance entre les NPs, n’ont jusqu’ici pas pu être étudiées.
L’objectif général de AirDeco est d’élaborer des microbulles de gaz (MBs), stabilisées par un film fluide d’amphiphiles, sur lequel des NPs d’Au ou d’oxyde de fer (Fe3O4) sont greffées avec une densité contrôlée, afin de maintenir des interactions mobiles et flexibles. Deux types d’objets, très différents en taille, les NPs (quelques nm) et les MBs (quelques µm) seront associés dans nos nouvelles superstructures modulaires (NP-decoMBs). Ces nouveaux objets, dispersés en solutions aqueuses, ou en tant qu’objet isolés, génèreront des réponses magnétiques, magnéto-optiques et optiques multi-échelles. Une telle étude de réponses multi-échelles est jusqu’à présent impossible avec les objets couverts de NPs décrits dans la littérature. 1. les MBs décorées de Fe3O4NPs offriront la possibilité de déterminer l’ordre de prévalence entre les différentes interactions magnétiques qui s’établissent aux trois niveaux suivants: à l’intérieur des NPs, entre les NPs à la surface d’une bulle, et entre les bulles magnétiques. 2. La mesure de l’intensité magnéto-optique Kerr sur une bulle isolée nous permettra de déterminer le moment magnétique des NPs en interaction. 3. Les MBs décorées avec des AuNPs permettront la détermination de la réponse optique à deux échelles spatiales différentes, en mesurant simultanément la diffusion de la lumière par la superstructure (sensible à la taille de la MB) et l’absorption résonnante des plasmons de surface (sensible à la taille des NPs).
Les microbulles décorées seront générées en formant les MBs à partir d’une dispersion aqueuse d’amphiphiles portant la fonction chimique appropriée permettant le greffage covalent des nanoparticules. Dans une première génération, les MBs seront formées à partir d’une dispersion d’amphiphiles (phosphates ou thiols) fluorés. Les NPs auront une affinité pour toutes les positions à la surface de ces bulles et leur répartition dépendra de leurs interactions mutuelles. Une preuve expérimentale de l’obtention de telles MBs décorées de Fe3O4NPs a été apportée par une étude de faisabilité. Les amphiphiles portant des chaînes perfluoroalkyles ont été sélectionnés du fait que des microbulles exceptionnellement stables ont récemment été obtenues en utilisant un des phosphates fluorés. Une seconde génération, plus ambitieuse, vise à contrôler la densité des NPs en utilisant une combinaison d’amphiphiles. Un tel control peut être obtenu en induisant une ségrégation de phase latérale bidimensionnelle entre des amphiphiles fluorés et des amphiphiles hydrocarbonés, et donc la formation de domaines séparés dans la paroi de la bulle. Les NPs seront sélectivement greffées sur les domaines portant les fonctions appropriées. Des expériences de faisabilité ont montré que des MBs stables pouvaient être obtenues grâce à un mélange ternaire de Twin, Span et d’un phosphate fluoré.