Fabrication microfluidique de métamatériaux à partir de dispersions colloïdales

Microfluidic fabrication of metamaterials out of colloidal dispersions

• Auteur / Autrice : Sara De Cicco
• Direction : Jacques Leng, Jean-Baptiste Salmon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 15/06/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire du Futur (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Ponsinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Leng, Jean-Baptiste Salmon, Virginie Ponsinet, Pierre Joseph, Michele Giocondo, Brigitte Pansu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Joseph, Michele Giocondo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pervaporation

Microfluidique

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux

Microfluidique

Pervaporation

Metamaterials

Microfluidic

Pervaporation

Résumé

Dans les dernières décennies, la communauté scientifique a concentré son attention sur l'étude de nouveaux matériaux, appelés métamatériaux, présentant des caractéristiques inhabituelles et permettant par exemple le contrôle de l'indice de réfraction effectif pour des applications optiques extraordinaires telles que les lentilles parfaites ou le camouflage. Les approches bottom-up utilisant l'auto-assemblage de nanoparticules résonantes de taille inférieure à la longueur d'onde (méta-atomes) offrent de nombreuses possibilités intéressantes. Dans ce travail, nous faisons état de la fabrication de métamatériaux à partir de dispersions colloïdales diluées, en utilisant une technique microfluidique appelée pervaporation microfluidique. Cette technique originale utilise la pervaporation de l'eau à travers des membranes denses en poly-diméthylsiloxane pour concentrer des dispersions colloïdales diluées jusqu'à la formation et la croissance de structures colloïdales très compactes dans des canaux microfluidiques bien définis. Des travaux précédents ont prouvé la fabrication, à l'aide de cette technique, d'un métamatériau présentant un fort magnétisme optique artificiel isotrope aux fréquences de la lumière visible, à partir de dispersions de nanoparticules résonantes de type framboise plasmonique. Dans le présent travail, nous étendons cette technique microfluidique à la fabrication de métamatériaux épais, avec des dimensions typiques de 5 mm x 3 mm x 30 μm, pour une caractérisation optique en utilisant l'ellipsométrie. Nous démontrons la fabrication de matériaux épais en utilisant différents types de nanoparticules : des nanosphères de silice mono-disperses, des nanoparticules de silicium et des "dodécapodes" faits sur mesure. Nous avons également amélioré notre technique microfluidique afin de pouvoir infiltrer des matériaux colloïdaux en utilisant des polymères photodurcissables pour obtenir des matériaux sans fissures.

In the last decades, the scientific community focused its attention on the study of new materials, referred to as metamaterials, displaying unusual features, making for instance possible the control of the effective optical refractive index and thus foreseeing extraordinary optical applications such as perfect lenses or cloaking.Bottom-up approaches making use of self-assembly of resonant nanoparticles (meta-atoms) of sub-wavelength size into close-packed materials offer many interesting opportunities. In the present work, we report on the bottom-up fabrication of materials starting from dilute colloidal dispersions using a microfluidic technique referred to as microfluidic pervaporation. This original technique makes use of water pervaporation through dense poly-dimethylsiloxane membranes to concentrate dilute colloidal dispersions up to the formation and growth of close-packed colloidal structures in well-defined microfluidic channels. Previous works proved the successful fabrication, using this technique, of a metamaterial exhibiting a strong isotropic artificial optical magnetism at visible light frequencies, starting from dispersions of raspberry-like resonant nanoparticles. In the present work, we extent this microfluidic technique to the fabrication of large-scale thick metamaterials, with typical dimensions 5 mm x 3 mm x 30 μm, for further optical characterization by using standard ellipsometry. We demonstrate the successful fabrication of such large and thick coatings using different kinds of nanoparticles: mono-disperse silica nanospheres, silicon nanoparticles, and custom-made “dodecapodes”. We also improved our microfluidic technique to be able to infiltrate such close-packed colloidal materials using photo-curable polymers to get free-standing and crack-free materials.