Métamatériaux bi-particulaires – METABIP

La possibilité pour les molécules ou nano-objets de s’ordonner à l’échelle macroscopique de manière hiérarchique dans des architectures contrôlées tout en gardant une certaine mobilité est un concept très puissant, il suffit de constater que tous les organismes vivants sont constitués d'éléments auto-assemblés. L’auto-organisation fait en outre émerger des propriétés supplémentaires que les constituants initiaux seuls n’ont pas. Par cette organisation supramoléculaire multi-échelle et l’apparition d’effets synergiques, les matériaux acquièrent des propriétés nouvelles introuvables ailleurs et deviennent des méta-matériaux, littéralement "des matériaux au delà des matériaux", cf. les travaux actuels sur les métamatériaux optiques.
Le projet Metabip est un projet de recherche fondamentale qui a pour ambition de développer la synthèse de nouvelles architectures fonctionnelles formées par l'auto-organisation de nanoparticules hybrides mésomorphes en réseaux binaires, conduisant ainsi à obtenir in fine des méta-matériaux possédant simultanément des propriétés magnétiques, électroniques et optiques. Aucun système de ce genre n'a encore jamais été synthétisé.
Les cœurs de ces nanohybrides seront des nanoparticules massives d'Au ou Ag, de type cœur-coquille Fe@Ag et Au@Ag, ou FePt recouvertes de ligands organiques structurants. Toutes ces nanoparticules possèdent des propriétés magnétiques, voire optiques. Les ligands jouent un rôle multiple : a) stabilisation des nanoparticules ; b) induction du mésomorphisme ; c) ajout d'une fonction supplémentaire éventuelle telle que photosensibilité ou conduction électronique. On montrera ainsi comment construire des nano-objets hybrides fonctionnels à propriétés optiques et/ou magnétiques, le premier but de ce projet.
Avec ces nanoparticules nous formerons alors des méta-matériaux en en combinant deux sortes dans une même structure 3D, une approche qui est aujourd'hui inédite et novatrice. Le mésomorphisme conduira à la formation de structures 3D ordonnées possédant différents types d'organisation (couches, colonnes, réseaux bicontinus). De tels assemblages pourront développer d'autres propriétés par effet synergique, résultant notamment du couplage de chromophores avec les plasmons, ou des interactions électroniques entre les ligands et les cœurs magnétiques. Le développement de telles architectures innovantes est le deuxième but de ce projet. Du fait de leur nature cristal-liquide, ces systèmes seront potentiellement adressables collectivement par des champs électriques appliqués, ce qui permettra de moduler leurs propriétés magnétiques et/ou optiques.
Après les indispensables étapes de synthèse, les nano-objets et leurs assemblages seront naturellement caractérisés du point de vue de leur structure (RMN, ATG, IR, TEM, UV-vis,…), mésomorphisme (SAXS, DSC, POM) et propriétés (RPE, SQUID, XMCD, spectrométries,…). Des études en champ proche (AFM, MFM, STM) permettront de compléter ces études en évaluant les propriétés physiques de réseaux 2D voire d'objets individuels.
On assurera donc au final la fabrication contrôlée de méta-matériaux nanostructurés, multi-fonctions et multi-échelles, susceptibles en outre d’être adressables électriquement. La réalisation du présent projet permettra de disposer d'un savoir-faire unique et immédiatement valorisable. Grâce à ces nouvelles architectures, sur la base de nos travaux récents sur le magnétisme des nanoparticules d’or, nous envisageons le développement de matériaux magnétiques innovants. Les concepts et systèmes que nous proposons sont sans équivalent à ce jour et les résultats préliminaires dont nous disposons valident la faisabilité de notre démarche (Thèse R. Gréget, 22/9/2011).