Assemblages de nanoparticules en coques submicroniques par effet Ouzo : vers des résonnateurs optiques – OuzoFAN

Les assemblages colloïdaux constituent une alternative très intéressante aux méthodes lithographiques pour élaborer des matériaux structurés à l’échelle submicroniques, car ils permettent à la fois d’accéder facilement à des structures 3D et de les produire en grand nombre. Une connaissance fine des mécanismes d’assemblage est néanmoins nécessaire pour atteindre un bon contrôle des morphologies.
Le projet OuzoFan réunit 3 équipes académiques aux expertises très complémentaires de Rennes (ISCR), Strasbourg (ICS) et Bordeaux (CRPP), afin d’élaborer et d’évaluer les propriétés optiques de nanorésonateurs plasmoniques par un procédé d’assemblage utilisant l’effet Ouzo. Les morphologies visées doivent permettre de mettre en évidence du magnétisme artificiel.
L’effet Ouzo est une émulsification spontanée, observée dans les systèmes ternaires eau, solvant miscible, huile. Le phénomène est analogue à une nanoprécipitation de l’huile. L’équipe de l’ISCR a montré qu’en présence de nanoparticules (NP) hydrophobes (~10nm), celles-ci précipitent également, formant des coques à la surface des gouttes (NP-shells ~100nm). La morphologie de ces objets, déjà relativement bien maitrisée, peut encore être améliorée par une production en flux continu associée à des micromélangeurs, grâce au savoir-faire de l’ICS. En effet, cette technologie permet à la fois un screening rapide des conditions opératoires (optimisation), un contrôle optimal des conditions de mélange (faible dispersité), et une meilleure reproductibilité. En parallèle, l’équipe du CRPP a développé un montage de diffusion statique de la lumière polarisée (PR-SLS) pour l’étude des nanorésonateurs plasmoniques, permettant de mesurer la diffusion associée aux résonances dipolaires optiques et magnétiques.
Le projet poursuit trois objectifs:
- l’étude de l’effet Ouzo en présence de NP: en particulier l’influence des NP sur les limites du domaine Ouzo. En effet, l’effet stabilisant des NP devrait permettre d’atteindre des concentrations plus élevées en huile, et donc de produire une plus grande quantité d’assemblages. La cinétique de formation de gouttes sera également étudiée en détails grâce à une technique de mélange ultra-rapide (stopped-flow, SF) associée à de la diffusion de la lumière.
- la fabrication de NP-shells d’or et d’argent comme nanorésonateurs: il s’agira dans un premier temps de déterminer les paramètres de composition et de mélange, permettant de varier les morphologies. Nous nous attacherons ensuite à améliorer la qualité et la quantité de nano-résonateurs, notamment grâce à la production en flux continu.
- l’étude optique, expérimentale et numérique, des nanorésonateurs: nous chercherons à mettre en évidence du magnétisme optique. Le magnétisme optique artificiel possède un large potentiel d’applications en « optique de transformation ». Ces nanorésonateurs seront ensuite assemblés en métamatériaux.
L’originalité du projet réside à la fois dans les concepts abordés et dans les caractérisations mises en œuvre. En termes de concepts, l’influence de NP inorganiques sur les mécanismes contrôlant l'effet Ouzo n’a pas encore été étudiée d’un point de vue fondamental. En outre, la technologie Ouzo est un moyen relativement simple d’atteindre des NP-shells qui se distinguent des morphologies colloïdales déjà étudiées (framboises plasmoniques). En termes experimental, l’approche SF couplée à de la diffusion de la lumière ne vient que très récemment d’être utilisée dans un contexte de nanoprécipitation. De même le dispositif PR-SLS monté au CRPP est une technique de caractérisation unique des nanorésonnateurs plasmoniques.
Bien qu’ambitieux, le projet OuzoFAN s’appuie sur des résultats préliminaires solides obtenus conjointement par les 3 équipes. Des mesures préliminaires de cinétiques rapides de la formation des gouttes Ouzo et de PR-SLS sur des NP-shells ont pu être réalisées au CRPP, ainsi que la formation des premiers NP-shells (non plasmonique) en flux continu à l’ICS.