Étude de différents modes d’organisation cristal-liquide de suspensions colloïdales à base de nanofeuillets minéraux

Study of different crystal-liquid organization modes of colloidal suspensions based on mineral nanosheets

• Auteur / Autrice : Karin El Rifaii
• Direction : Patrick Davidson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Brigitte Pansu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Heux, Eric Grelet, Laurent Michot, Jean-Christophe Gabriel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Heux, Eric Grelet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie

Colloïdes

Nanoparticules

Cristaux liquides

Sources de rayonnement synchrotron

Rayons X -- Diffusion

Diagrammes de phases

Mots clés libres

Cristaux liquides

Colloïdes

Nanofeuillets minéraux

Microscopie optique

Diffusion des rayons X

Diagrames de phase

Liquid crystals

Colloids

Mineral nanosheets

Optical microscopy

X-Ray scattering

Phase diagrams

Résumé

Les cristaux-liquides « colloïdaux », qui sont des suspensions de nanoparticules anisotropes, présentent actuellement un regain d’intérêt car ils fournissent des systèmes-modèles commodes pour tester diverses théories de physique statistique et pour mieux appréhender certains comportements qui apparaissent lors de divers processus industriels. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à différents modes d’organisation cristal-liquide de suspensions colloïdales à base de nanofeuillets minéraux. Nous avons commencé par l’étude de l’influence du dopage de deux différents types de suspensions cristal-liquides de nanofeuillets (naturels et synthétiques) par différentes sortes de polymères hydrosolubles. Ensuite, un autre sujet nous a conduits à synthétiser des nanoparticules hybrides or-argile (à base d’argile beidellite) et à explorer le comportement de leurs suspensions colloïdales. Puis, nous avons examiné un mode très original d’organisation de nanofeuillets qui a été mis en évidence lors de l’étude de suspensions d’hectorites synthétiques. Finalement, nous avons étudié l’influence d’un changement de pH de suspensions acides de nanofeuillets synthétiques de H3Sb3P2O14, afin élargir le champ de leurs applications potentielles. Nous les avons ainsi neutralisées par addition d'une base forte.Toutes ces études ont été réalisées en utilisant une vaste panoplie de techniques complémentaires telles que les observations d’échantillons en lumière naturelle et polarisée, la microscopie optique, l’application de champs magnétique et électrique, la diffusion des rayons X (DRX, SAXS, WAXS), la microscopie électronique en transmission (MET), la microscopie électronique à photoémission de rayons X (XPEEM), les isothermes d’adsorption, la zetametrie, l’analyse thermogravimétrique (ATG) et la spectroscopie UV-visible. Toutes ces techniques, complétées par les approches théoriques nous ont permis d’atteindre une description assez complète de différents échantillons originaux aux échelles micro et macroscopique, d’y étudier l’auto-assemblage spontané de nanoparticules, et de manipuler ces organisations colloïdales par des champs extérieurs. En conclusion, ce mémoire de thèse présente donc un panorama de différents phénomènes originaux illustrant la très grande variété et subtilité des modes d’organisation spontanée qui affectent les suspensions colloïdales de nanofeuillets.

Colloidal'' liquid-crystals, suspensions of anisotropic nanoparticles, are currently raising renewed interest as they provide convenient model systems to test various statistical physics theories and to better understand some behaviors that appear during various industrial processes. In this thesis, we are interested in different modes of liquid-crystal organization of colloidal suspensions based on mineral nanosheets. We started with the study of the influence of the doping of two different types of liquid-crystal suspensions of nanosheets (natural and synthetic) by different kinds of water-soluble polymers. Then, another subject led us to synthesize gold-clay hybrid nanoparticles (based on beidellite clay) and to explore the behavior of their colloidal suspensions. Furthermore, we have examined a very original mode of organization of nanosheets discovered during the study of synthetic hectorite suspensions. Finally, we studied the influence of a pH change of acidic suspensions of H3Sb3P2O14 nanosheets, in order to widen the field of their potential applications. We neutralized these suspensions by addition of a strong base. All these studies were performed using a wide range of complementary techniques such as observations of samples in natural and polarized light, optical microscopy, application of magnetic and electric fields, X-ray scattering (DRX, SAXS, WAXS), transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoemission electron microscopy (XPEEM), adsorption isotherms, zetametry, thermogravimetric analysis (TGA) and UV-visible spectroscopy. All these techniques, complemented by theoretical approaches, have allowed us to reach a rather complete description of different original samples at the micro and macroscopic scales, to study the spontaneous self-assembly of nanoparticles, and to manipulate these colloidal organizations by external fields. In conclusion, this thesis presents a wide panorama of different original phenomena illustrating the great variety and subtlety of spontaneous organization modes that affect colloidal suspensions of nanosheets.