Nanoréacteurs à base de nanotubes de carbone pour des applications magnétiques – CarMa

Durant ce projet nous visons à :
a) développer de nouvelles voies de synthèse chimiques efficaces et innovantes de façon à diriger et immobiliser exclusivement à l'intérieur de nanotubes des nano-objets magnétiques métalliques présentant une magnétisation importante et une anisotropie contrôlée. Selon la concentration en nano-objets magnétiques métalliques, la taille des nano-objets, leur forme et leur composition, différents matériaux hybrides seront préparés.
b) étudier et quantifier, en collaboration avec des physiciens, l'effet de confinement résultant de l'interaction entre les nano-objets magnétiques métalliques et la cavité intérieure de nanotubes de carbone multi-parois (un article en préparation),
c) utiliser les nanotubes comme des nano-réacteurs pour faire des transformations de phases, et pour assurer la stabilité chimique des nano-objets magnétiques métalliques par une réaction originale de polymérisation in situ. Cette étape essentielle permettra également :
d) d’évaluer le potentiel de ces nouveaux systèmes hybrides pour des applications importantes comme, le traitement du cancer par hyperthermie et la préparation de matériaux composites à base de nanotubes de carbone.

Dans ce projet, nous avons étudié le confinement de nanoparticules métalliques magnétiques (NPMMs) dans des nanotubes de carbone multi-parois (NTC) de différents diamètres. Le projet a été divisé en deux thèmes principaux:
- Le confinement sélectif de NPMMs monométalliques bien définies (Fe, Co) dans des NTC fonctionnalisés et leur protection contre l'oxydation par polymérisation; et
- L'étude de NPMMs bimétalliques (CoPt et FePt) à l'intérieur de NTC et leur transformation de phase par recuit thermique.
Des NPMMs de Co et Fe de taille et forme contrôlées ont été synthétisées avec de nouveaux ligands aromatiques comme stabilisants. Ces NPMMs ont été ensuite introduites sélectivement dans la cavité de NTC du fait d’interactions répulsives/attractives entre les NTC fonctionnalisés et les NPMMs. Nous nous sommes alors intéressés à la protection de ces nanoparticules de l'oxydation par l'air. Ainsi, les NPMMs de fer confinées ont été revêtues de polyisoprène. Pour ce faire, la surface des nanoparticules de fer a été modifiée avec un catalyseur de polymérisation par échange de ligand; puis, la polymérisation de l'isoprène a été réalisée à l'intérieur du canal des NTCs. La protection de l’oxydation par le polyisoprène a été évaluée par des mesures magnétiques après l'exposition à l'air. Enfin, des nanostructures magnétiques bimétalliques (particules ou fils) combinant le Pt et le cobalt ou le fer ont été obtenues et confinées dans les NTCs. Leurs ordres de structure chimique ont également été étudiés par études de recuit thermique.

Bien que la plupart des objectifs du projet CARMA ont été atteints, d'autres travaux concernant la première partie du projet devrait se concentrer sur: 1) le développement de la méthode de remplissage afin de confiner plus de NPMMs dans les nanotubes de carbone; 2) l'amélioration de la polymérisation pour atteindre une meilleure protection de l'air; et 3) une étude approfondie de la protection de l'air des NPMMs par le complexe de fer greffée. Pour les perspectives liées à la deuxième partie du projet, des efforts supplémentaires devraient être axées sur: 1) les effets de confinement sur la morphologie et la composition des NPMMs bimétalliques ; 2) l'augmentation de la composition Co ou Fe dans les nanostructures confinées visant à une stœchiométrie de 50% par rapport au Pt; 3) la recherche des espèces qui sont responsables de la formation des nanofils; et 4) la recherche d'une méthode approprié pour la transformation de phase par recuit.

A ce jour un article portant sur la préparation de nanoparticules magnétiques de cobalt et de fer a été publié [N. Liakakos, B. Cormary, X. Li, P. Lecante, M. Respaud, L. Maron, A. Falqui, A. Genovese, L. Vendier, S. Koïnis, B. Chaudret, K. Soulantica, The Big Impact of a Small Detail: Cobalt Nanocrystal Polymorphism as a Result of Precursor Addition Rate during Stock Solution Preparation, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 17922-17931]
Les résultats sur le confinement dans les nanotubes de carbone et sur la protection de l’oxydation sont soit en cours de publication soit en cours de dépôt de brevet.

Les nanotubes de carbone (CNTs) sont actuellement l'un des nanomatériaux les plus intensivement étudiés du fait leurs propriétés exceptionnelles et de leur utilisation possible dans un certain nombre d'applications stratégiques. Aujourd’hui, la principale application touche le domaine des matériaux composites ou l’introduction de NTCs peut permettre l’obtention de composites conducteurs et très résistants. Depuis peu, les effets de confinement provenant des interactions spécifiques de nano-objets avec les parois des CNTs constituent l'objet d'un domaine de recherche de pointe qui vise à utiliser les NTCs comme des nano-réacteurs.
Les nano-objets magnétiques métalliques (NOMMs) de la série 3d ainsi que leurs alliages sont également des cibles très étudiées en nanoscience, comme candidats très prometteurs pour des applications s'étendant du stockage magnétique de l’information, à l’adressage magnétique ou à la biomédecine magnétique. Leurs propriétés uniques qui peuvent dévier de façon significative par rapport à celles de leurs contreparties massiques pourraient être modulées par interaction avec les NTCs afin de satisfaire au cahier des charges de nouveaux matériaux hybrides « intelligents ».
Le projet CarMa est né de l'expertise du LCC dans la préparation et la fonctionnalisation de nanotubes de carbone et pour le confinement de nanoparticules métalliques dans des NTCs ainsi que de l'expertise du LPCNO dans la synthèse de NOMMs et pour l'étude de leurs propriétés magnétiques.
Le projet CarMa constitue une étape importante dans la maîtrise de la complexité liée à l’utilisation de la chimie pour contrôler l’organisation de nano-objets en systèmes hybrides à architecture complexe.
Dans ce projet nous visons à :
a) développer de nouvelles voies de synthèse chimiques efficaces et innovantes de façon à diriger et immobiliser exclusivement à l'intérieur de NTCs des nano-objets magnétiques métalliques présentant une magnétisation importante et une anisotropie contrôlée. Selon la concentration en NOMMs, la taille des nano-objets, leur forme et leur composition, différents matériaux hybrides NOMMs@NTC seront préparés.
b) étudier et quantifier l'effet de confinement résultant de l'interaction entre les NOMMs et la cavité intérieure de nanotubes de carbone multi-parois,
c) utiliser les NTCs comme des nano-réacteurs pour faire des transformations de phases, et pour assurer la stabilité chimique des NOMMs par une réaction originale de polymérisation in situ. Cette étape essentielle permettra également :
d) d’évaluer le potentiel de ces nouveaux systèmes hybrides pour des applications importantes comme, le traitement du cancer par hyperthermie et la préparation de matériaux composites à base de NTCs.