Nanothermométrie optique pour le contrôle et la compréhension de phénomènes magnéto-induits. Application à l’hyperthermie biologique et à la catalyse hétérogène en solution – NANOTHERMOMETRY

Le projet NANOTHERMOMETRY ambitionne de mesurer la température locale au contact de nanoparticules chauffées par activation sous champ magnétique alternatif par des particules luminescentes. Les particules seront co-localisées afin de régler la distance entre la source de chaleur et le point de mesure afin d’étudier les gradients de température à l’échelle du nanomètre. Ces mesures seront réalisées dans les conditions in vitro de l’hyperthermie thérapeutique et operando de la catalyse hétérogène par induction magnétique en solution. Les nanothermomètres seront sélectionnés pour s’adapter à la gamme de température (20-300°C) et d’émission (NIR II) mais aussi pour répondre aux contraintes de stabilité (thermique ou chimique) et de toxicité des deux domaines d’application.
Le projet NANOTHERMOMETRY vise à coupler des nano-thermomètres et des nano-radiateurs au travers de stratégies permettant de déterminer la température en surface des particules magnétiques et à proximité de la surface sur quelques nanomètres de distance. Les particules seront liées chimiquement par un ligand de longueur variable dont la stabilité thermique sera vérifiée. Cet hétéro-assemblage permettra de co-localiser les deux types de particules dans différents compartiments cellulaires et pour différents modèles cellulaires, et dans un réacteur catalytique. Le projet est organisé en 5 tâches, dans un esprit de forte itération et de collaboration inter-équipe qui passera aussi par une mutualisation des personnels recrutés pour les besoins du projet. Les nano-thermomètres ciblés seront soit des oxydes de type spinelle, perovskite ou grenat dopés par des terres rares et/ou des éléments de transition, soit des quantum dots non-toxique (tâche 1). La conception de ces nanomatériaux entrera dans une démarche écoresponsable et durable au travers d’une étude de leur toxicité en milieu biologique et de leur dégradation (tâche 3). Les nanothermomètres seront classés par gamme de température en fonction de leur sensibilité à la variation de température (tâche 2) afin de sélectionner pour chacune des applications les meilleurs candidats (adéquation intensité de l’émission, sensibilité thermique, toxicité, stabilité). Des mesures de température seront réalisées sur des cellules afin de mettre en évidence les dommages liés à un traitement d’hyperthermie magnétique (tâche 4) et en conditions environnementales pour la catalyse (tâche 5).
Le projet est très ambitieux, depuis la conception d’un assemblage de nanomatériaux contrôlés et la réalisation d’un montage expérimental dédié à la nanothermométrie par luminescence sous champ magnétique jusqu’aux mesures sur de cas concrets aussi proches que possible des applications. Un consortium interdisciplinaire a été bâti pour couvrir tous les champs disciplinaires que nécessite le projet en terme de positionnement scientifique à l’état de l’art mais également de moyens techniques. Cette ambition est compatible avec la durée du projet (48 mois) et laisse augurer d’un futur développement applicatif de la mesure locale de température grâce à des particules luminescentes.
Nous pouvons anticiper des impacts significatifs de ce projet. D’un point de vue académique, le projet débouchera sur une véritable réflexion quant au potentiel de la nanothermométrie comme outil de mesure locale de la température et des gradients de température au sens analytique du terme. Aussi nous adhérerons à un atelier autour des problématiques de mesures de température et de transfert thermique dans le cadre du Club Français de Nanométrologie. Au niveau des deux applications ciblées, outre une meilleure compréhension de la réactivité chimique ou biologique, le projet devrait permettre (i) de rendre les traitements par hyperthermie magnétique moins agressifs et (ii) d’optimiser la catalyse par activation sous champ magnétique alternatif, un procédé prometteur pour le stockage chimique des énergies intermittentes et l’enrichissement en méthane du biogaz.