Electrochimie aux échelles nanométriques par screening chimique et localisation optique de trajectoires de nanoparticules individuelles – NEOCASTIP

On utilise couramment les nanoobjets en raison de leurs propriétés remarquables liées tant à leur structure chimique qu’à leur taille. Diverses techniques permettent de caractériser leurs propriétés d’ensembles mais il est primordial dans de nombreux champs d’applications de détecter et étudier le comportement chimique de nanoobjets individuels. Ce domaine peu exploré des nanotechnologies nécessite le développement de nouvelles stratégies analytiques basées sur la détection in situ de phénomènes stochastiques décrivant la physico-chimie de nanoobjets individuels. Ceci devrait engendrer des applications et développements industriels dans des domaines allant de la chimie à l’optique avec des implications fortes pour l’environnement, l’énergie ou les sciences de la vie.
La compréhension de processus stochastiques est plus qu’une question fondamentale relative à la description ultime de l’acte élémentaire chimique, c’est une nécessité dans la miniaturisation des dispositifs de mesures. Typiquement, des microélectrodes ont la sensibilité requise pour révéler des impacts électrochimiques discrets de nanoparticules (NPs). Bien que prometteuse, cette mesure électrochimique n’est que partielle si elle n’est pas associée à une observation microscopique orthogonale. La superlocalisation optique a modifié profondément les techniques optiques de microscopie (Nobel de Chimie 2014). Développée principalement pour détecter des objets fluorescents, quelques équipes commencent à l’étendre à la détection d’objets non-marqués en 2D et en 3D. Mais la localisation seule ne fournit pas d’informations chimiques.
NEOCASTIP propose une approche analytique en rupture pour détecter des évènements chimiques discrets de nanodomaines individuels en combinant (i) une localisation optique sensible et précise (<10nm) de nanoobjets et (ii) une caractérisation/actuation électrochimique précise d’événements physico-chimiques individuels. L’objectif est de fournir une description complète des réactions/interactions de nanodomaines (ou NPs) individuels avec une interface. Outre l’optique et les sciences analytiques, l’électrochimie est au cœur du projet parce qu’elle permet de déclencher des processus physico-chimiques et donc, de lire l’activité chimique complète de NPs. C’est une méthode simple et facilement transposable à tout autre type d’actuation chimique.
NEOCASTIP propose la conception et le développement d’instrumentations opto-électrochimiques innovantes, dont une à visée commerciale en association avec la startup WatchLive. Elles permettront de lever différents verrous scientifiques et techniques: (i) l’imagerie dynamique d’événements chimiques individuels in operando avec une précision et une sensibilité inégalées, (ii) l’étude de nanoobjets métalliques ou diélectriques (avec ou sans marquage fluorescent).
Les performances de cette approche seront testées dans des études ambitieuses qui illustreront l’étendue de ses champs d’application (électrochimie, capteurs), notamment par la visualisation 3D dynamique de (i) transformations électrochimiques (dissolution, transition de phase ou électrocatalyse) de NPs individuelles métalliques, d’oxydes métalliques ou de nanogels immobilisés ou impactant une électrode, (ii) doubles couches ioniques sur des nanodomaines ou défauts d’électrodes, (iii) comportements (électro)chimiques collectifs (cross-talk).
Le suivi de la transformation (électro)chimique de nanoobjets individuels constitue, en lui-même, une rupture conceptuelle ambitieuse en chimie et optique. NEOCASTIP ouvre aussi des perspectives vers de nouvelles stratégies pour (i) la visualisation de nanoobjets réactifs en microfluidique, (ii) des voies de fonctionnalisation destinées à contrôler la réactivité chimique de nanoobjets.
Le consortium proposé réunit des physiciens et physicochimistes qui ont une expertise reconnue en imagerie optique, nanoélectrochimie, physico-chimie des interfaces et font des aller-retours constants entre expérience et modélisation.