Exploration des nanotechnologies ADN pour l'auto-assemblage de nanoparticules d'aluminium et d'oxyde de cuivre : application à la synthèse de matériaux énergétiques

DNA-directed self-assembly of Al and CuO nanoparticles : synthesis of high-performance energetic composite materials

• Auteur / Autrice : Théo Calais
• Direction : Carole Rossi, Aurélien Bancaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro Nano Systèmes
• Date : Soutenance le 16/01/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Aimé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Rossi, Aurélien Bancaud, Rose-Marie Sauvage, Yves J. Chabal, Alain Estève
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Gasparutto, Sébastien Bidault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Colloïdes

Nanoparticules

ADN

Mots clés libres

Nanothermite

Assemblage dirigé par ADN

Colloïdes

Nanoparticules d'Al

Nanoparticules de CuO

Streptavidine

Nanothermite

DNA self-assembly

Colloids

Al nanoparticles

CuO nanoparticles

Streptavidin

Résumé

Les nanotechnologies ADN utilisées pour l’auto-assemblage de nanoparticules d’or ou de métaux nobles ont connu un important développement au cours des vingt dernières années, permettant l’organisation de particules agencées en nano-cristaux, grâce à la spécificité biologique inégalable de deux brins complémentaires d’ADN. L’objectif de ces travaux de thèse est d’adapter ces nanotechnologies à l’assemblage de nanoparticules d’Al et de CuO en vue d’élaborer des matériaux composites énergétiques à haute performance, grâce à l’augmentation des surfaces en contact entre réducteur (Al) et oxydant (CuO) par la maîtrise de l’organisation spatiale des nanoparticules. Ainsi, la fonctionnalisation séparée des nanoparticules d’Al et de CuO dispersées en solution colloïdale par des monobrins d’ADN complémentaires assurée ici par l’utilisation du complexe biotineStreptavidine, doit amener, après mélange des deux solutions colloïdales, à l’agrégation des particules par l’hybridation des brins d’ADN greffés en surface. La stratégie de fonctionnalisation choisie ici est générique : la protéine « Streptavidine » est d’abord greffée sur la nanoparticule, puis le brin d’ADN possédant un groupe biotine à une de ses extrémités, se fixe sur la Streptavidine. Au-delà de l’organisation de la matière à l’échelle nanométrique, l’enjeu double de ces travaux tient dans l’établissement d’un protocole de fonctionnalisation fiable et reproductible, propre aux procédés de micro-électronique, pour envisager un report de ces matériaux sur puce, mais également dans le contrôle des performances énergétiques grâce à l’ADN. Nous nous sommes donc appliqués à élaborer ce protocole en caractérisant précisément chaque étape de fonctionnalisation : la stabilisation des colloïdes et la biofonctionnalisation des nanoparticules par la Streptavidine et l’ADN. De plus, l’interaction entre ADN et surfaces oxydées des particules a été étudiée de façon à identifier les interactions non-spécifiques à l’origine d’agrégations non maîtrisées et améliorer en conséquence la qualité de la fonctionnalisation. Nous avons ensuite étudié l’agrégation des particules fonctionalisées en fonction de nombreux paramètres expérimentaux telles que la longueur de la chaîne ADN, la séquence de l’oligonucléotide, ou encore la composition saline de la solution. A cause de l’existence d’interactions non-spécifiques mise en évidence, nous avons optimisés ces paramètres de façon à assurer une agrégation dirigée uniquement par l’hybridation des brins d’ADN. Les performances énergétiques des matériaux synthétisés ont enfin été caractérisées et nous avons démontré la possibilité de contrôler les performances énergétiques des nanobiocomposites synthétisant en maîtrisant leur microstructure grâce à l’ADN.

Over the two last decades, DNA technologies have intensively been studied for the organization of matter at the nanoscale. Thanks to the bio recognition of two complementary DNA single-strands and their hybridization into the famous helicoidally structure, self-assembling of gold nanoparticles into highly ordered micrometer scale crystals has been demonstrated. The aim of this thesis is to explore this new nanotechnology for the self-assembly of Al and CuO nanoparticles driven by DNA hybridization into highly energetic nanocomposites by optimizing contact surfaces between reducer (Al) and oxidizer (CuO). We chose Streptavidin-biotin strategy to functionalize nanoparticles with DNA single strands. More precisely, the functionalization process includes four steps: (i) stabilization of Al and CuO nanoparticles into separate colloidal suspensions; (ii) Streptavidin grafting on Al and CuO nanoparticles; (iii) DNA grafting on Al and CuO Streptavidin-modified nanoparticles thanks to the addition of biotin function at the end of the DNA single strands; (iv) mixing of the two colloidal DNA-functionalized suspensions in order to realize the self-assembly. First, we precisely determined, characterized and optimized each step of the functionalization process. Then, we studied more precisely two key points of the process: we analyzed the interaction of DNA bases with technologically relevant oxide surfaces by studying the grafting of Thymidine by theoretical and experimental approaches; and we studied the influence of the coding sequence used for the DNA strands on the quality of the self-assembly, also by theoretical and experimental analyses. Finally, we optimized environmental conditions to realize the self-assembly of DNAfunctionalized nanoparticles into energetic nanobiocomposites. Morphologies and energetic properties were established as a function of synthesis conditions, and the control of energetic performances of nanobiocomposites as a function of aggregation process was demonstrated.