Interactions colloïdales dans les liquides ioniques

Colloidal interactions in ionic liquids

• Auteur / Autrice : Marianna Mamusa
• Direction : Véronique Peyre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 25/02/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (Paris ; 2014-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julian Oberdisse, Corinne Chanéac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Werner Kunz, André Vioux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions ion-molécule

Stabilité

Colloïdes

Applications industrielles

Liquides ioniques

Nanoparticules

Mots clés libres

Liquides ioniques

Nanoparticules

Interactions

Colloïdes

Diffusion de rayonnement

Magnétisme

Ionics liquids

Nanoparticles

Colloidal interactions

Résumé

Les liquides ioniques (LIs) sont des nouveaux solvants ioniques, de plus en plus utilisés dans des systèmes à base de nanoparticules (NP) pour plusieurs applications industrielles et technologiques. Pourtant, à présent nous ne sommes pas en mesure de maîtriser l'état de dispersion ou agrégation des NP dans ces solvants, et les lois classiques sur la stabilité colloïdale, telles que la DLVO, ne sont pas adaptées à cet effet. La difficulté se retrouve notamment dans la description des interactions électrostatiques dans ces milieux ioniques. Dans ce travail, nous essayons de mieux comprendre les interactions colloïdales dans les LIs à travers deux systèmes bien caractérisés séparément : les nanoparticules magnétiques de maghémite, dont la surface est bien contrôlée dans l'eau, et le liquide ionique nitrate d'éthylammonium (NEA), qui est connu pour sa ressemblance avec l'eau. Les deux systèmes sont mélangés et étudiés aux niveaux macroscopique et microscopique. Nous effectuons des caractérisations à travers plusieurs techniques : absorption atomique de flamme, microscopie optique sous champ magnétique, diffusion de rayonnement (neutrons, rayons X et lumière), biréfringence magnéto-optique. Nous découvrons l'importance d'avoir une surface de NP chargée pour obtenir des dispersions stables de maghémite dans le NEA. En particulier, la meilleure stabilité colloïdale est atteinte en adsorbant des molécules de citrate sur la surface des NP. Nous étudions ensuite l'effet de la taille et concentration des NP, du contreion cationique qui compense la charge du citrate, du contenu d'eau. Enfin, nous transférons nos protocoles à la réalisation de dispersions dans des LI biocompatibles.

Ionic liquids (ILs) are a novel class of ionic solvents, which are being used more and more often in chemical systems based on nanoparticles (NP) for several industrial and technological applications. However, at present we are unable to master the state of dispersion or aggregation of NP in these solvents, and the classic theories applied to colloidal stability, such as the DLVO, cannot be applied. In particular, the difficulty is found in the description of the electrostatic interactions in these ionic media. In this work, we try to better understand colloidal interactions in ILs through two systems that have been thoroughly characterized separately: magnetic maghemite nanoparticles, whose surface is well controlled in water, and the ionic liquid ethylammonium nitrate (EAN), known for its resemblance to water. These two systems are finally mixed together and studied at both the macroscopic and microscopic levels. We perform characterizations through several techniques: flame atomic absorption spectroscopy, optical microscopy under magnetic field, scattering methods (neutrons, X-rays and light), magneto-optic birefringence. We discover the importance of having a charged NP surface in order to obtain stable maghemite dispersions in EAN. In particular, the best colloidal stability is reached by adsorbing citrate molecules on the NP surface. We further investigate the effect of the NP's size and concentration, of the cationic counterion used to compensate the charge of citrate, of water content. Finally, we transfer our acquired knowledge to the realization of dispersions in biocompatible ILs.