Nanoparticules bistables pour l'imagerie thermique à haute résolution spatiale et temporelle – THERMOSPIN

Ce projet de recherche fondamentale vise à développer des techniques de nanocaractérisation thermique avec une haute résolution spatiale et temporelle basées sur l'utilisation de matériaux moléculaires nanostructurés bistables aux propriétés physiques parfaitement contrôlables. Cette bistabilité est accompagnée d'un changement spectaculaire de diverses propriétés physiques (magnétiques, mécaniques et optiques). Selon la taille et la composition des matériaux moléculaires, l'activation thermique de la commutation de l’état de spin peut se produire dans une échelle de temps de la nanoseconde à la microseconde (autour de la température ambiante) permettant une caractérisation très rapide de la température. Dans ce projet, des nanofils métalliques, dont la température est modulée par effet Joule par injections de courants sous différentes conditions d'amplitude et de modulation de fréquence, seront utilisés comme sources thermiques afin d'explorer un large éventail de gammes spatiales et temporelles et de valider les techniques de nanocaractérisation thermique proposées pour les phases solide et liquide.
Trois défis majeurs sont à considérer pour atteindre les résolutions spatiale et temporelle visées à l’échelle de la nanoparticule unique (inférieure à 100 nm et quelques centaines de nanosecondes):
(i) la synthèse de sondes moléculaires et la fabrication de nanosources métalliques pour concevoir des nanodispositifs thermiques fonctionnels:

• Des sondes moléculaires bistables seront synthétisées sous forme de nanoparticules en suspension colloïdale dont la taille, la forme, la composition, la chimie de surface et les propriétés physiques seront finement contrôlées. Les nanoparticules seront caractérisées en utilisant des méthodes spectroscopiques statiques et résolues en temps.
• Des nanofils métalliques seront fabriqués par nanolithographie électronique ou dépôt électrochimique de métaux dans des membranes poreuses. Dans ce dernier cas, des techniques d'assemblage dirigé seront utilisées pour obtenir des nanodispositifs thermiques fonctionnels.
• Les sondes moléculaires déposées sur la surface de nanofils métalliques pour la caractérisation thermique en phases solide et liquide en utilisant des méthodes d'assemblage dirigé. En phase liquide, une suspension colloïdale de sondes moléculaires sera également utilisée.

(ii) Modélisation et simulation:

• Les propriétés physiques des matériaux nanostructurés moléculaires bistables seront simulées à l'aide de modèles microscopiques élastiques en raison de l'origine élastique des interactions inter-moléculaires dans ces matériaux.
• Le transfert de chaleur dans des nanofils métalliques en régimes permanent et transitoire pour les phases solide et liquide sera obtenu grâce à des approches analytiques ou des méthodes d'analyse par éléments finis.

(iii) nanocaractérisation thermique:

• Dans une première phase, des techniques de fluorescence seront développées en tirant profit de l’extinction de fluorescence qui a lieu dans une plage spécifique de longueurs d'onde d'émission pour les fluorophores en présence de matériaux bistables moléculaires durant la transition de spin. Afin de détecter des nanoparticules uniques, nous concevrons des systèmes optimisés pour obtenir des transferts d'énergie résonants efficaces et mettrons en œuvre des techniques de détection de fluorescence avancées (lentilles colloïdales, FCS).
• Dans une deuxième approche complémentaire, des techniques de détection par résonance plasmonique de surface (SPR) seront développées. À cette fin, des nanoparticules « cœur-coquille » comprenant un métal noble (Au, Ag) et une coquille bistable dont les propriétés de diffusion de la lumière seront fortement dépendantes de la température, seront élaborées.
• En parallèle, des caractérisations thermiques basées sur des mesures électriques seront effectuées pour obtenir des informations complémentaires sur les régimes permanent et transitoire.