Auto-assemblage de nanoparticules: des super-réseaux périodiques aux phases quasicristallines – SoftQC

Le phénomène d’auto-assemblage est le processus par lequel des briques élémentaires s’assemblent spontanément pour former des structures organisées ayant un plus grand degré de complexité. Arriver à maîtriser ces structures et leurs propriétés pour concevoir de nouveaux nanomatériaux est un domaine de recherche en plein essor mondialement, tant au niveau fondamental qu’applicatif. La matière molle joue un rôle majeur dans cette révolution conceptuelle, grâce à l’auto-assemblage de nanoparticules de complexité croissante. Mais prédire et maitriser les structures obtenues par auto-assemblage reste un verrou technologique. Les super-réseaux formés par des nanoparticules (NPs) sphériques sont des candidats prometteurs pour fabriquer de nouveaux nanomatériaux, pour la catalyse, le photovoltaïque, ou les capteurs biologiques.
Deux types de structures complexes, les phases ‘Frank et Kasper’ (FKP) et quasi-cristallines (QCP) sont des systèmes émergents en matière molle. Elles sont formées par auto-assemblage de NPs sphériques, lorsqu’il y a compétition entre deux échelles de longueur dans l’interaction entre les NPs. Les conditions d'obtention de structures stables et contrôlées restent à élucider, telles que la déformabilité de la couronne organique, la force des interactions et la distribution en taille des NPs. Une question centrale est de déterminer si ces phases peuvent être obtenues avec une seule population de NPs (de polydispersité en taille donnée) ou si un mélange binaire avec deux tailles différentes est nécessaire. Ce projet propose une approche intégrée, où les expériences, la théorie et les simulations seront combinées.
Les membres du projet mettront en commun leur savoir-faire à toutes les étapes du projet. Deux types de NPs, semi-conductrice (CdSe) et métallique (Au), seront synthétisés (étape 1), et leur auto-assemblage en solution sera exploré par diffusion du rayonnement (séparément et dans des mélanges binaires). Les paramètres de contrôle (taille de cœur, nature des ligands) seront variés pour ajuster le potentiel d’interaction entre les NPs et les valeurs des deux longueurs en compétition (étape 2). L’auto-assemblage de ces NPs sera réalisé expérimentalement à 3D et 2D (étape 3) et les assemblages les plus prometteurs pour leurs propriétés optiques et de transport seront sélectionnés. Des simulations numériques 3D seront effectuées avec les mêmes systèmes, en utilisant des potentiels d’interaction modèles (étape 4), pour des interactions à 2 corps puis à N-corps. Des modèles théoriques et des diagrammes de phases prédictifs seront établis et comparés aux résultats expérimentaux, afin de trouver les critères de stabilité des phases FKP et QCP. Au final, ce projet ouvrira la voie à de nouveaux métamatériaux basés sur l’ordre apériodique.
Le budget demandé pour ce projet collaboratif sur 4 ans, entre le Laboratoire de Physique des Solides (LPS-exp et LPS-theo, Orsay) et le Laboratoire de Chimie de l’ENS Lyon, est de 397 k€ (429 k€ avec les charges de 8 % de 32 k€). Trois chercheurs non-permanents seront recrutés et travailleront en forte interaction. Un doctorant (trois ans, 98 k€) à l’ENS Lyon synthétisera par nanochimie des NPs (étape 1) et étudiera leur auto-assemblage (étape 3). Un chercheur postdoctorant (LPS-exp, 18 mois, 86 k€) étudiera par diffusion du rayonnement les interactions en solution entre ces NPs (étape 2) et leur auto-assemblage pour des systèmes 3D (étape 3), en forte collaboration avec le doctorant en nanochimie. En parallèle, un doctorant (LPS-theo, trois ans, 98 k€) développera les aspects théoriques en utilisant des simulations numériques (étape 4).
Enfin, 78 k€ (dont 57 k€ d’équipement) au LPS et 36 k€ à l’ENS-Lyon seront nécessaires pour les réactifs chimiques, des équipements de rayons X, l’accès à des plateformes (microscopie électronique) et au synchrotron, des moyens de calculs, des frais de missions et des financements de stages de master.