Dynamique du champ proche plasmonique et génération de dérivés réactifs de l'oxygène par des nanobâtonnets d'or sous irradiation laser ultrabrève
Auteur / Autrice : | Syrine Gueffrache |
Direction : | Bruno Palpant |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique |
Date : | Soutenance le 19/05/2022 |
Etablissement(s) : | université Paris-Saclay |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...) |
référent : CentraleSupélec (2015-....) | |
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Guilhem Bousquet |
Examinateurs / Examinatrices : Souhir Boujday, Renaud Bachelot, Noémi Barros | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Souhir Boujday, Renaud Bachelot |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Résumé
Les nanoparticules d'or sont connues pour leurs propriétés optiques remarquables liées à la résonance plasmon de surface localisée (LSPR pour localized surface plasmon resonance). Elles absorbent alors efficacement le rayonnement incident, le transforment localement en chaleur et amplifient fortement le champ proche électromagnétique. Ces différents phénomènes, associés à la bonne biocompatibilité de l'or, font de ces nanoparticules des objets très convoités pour de nombreuses applications, en particulier dans le domaine biomédical. Les nanobâtonnets d'or ont une place de choix car ils présentent, sous illumination polarisée selon leur grand axe, un mode plasmon intense et spectralement ajustable par l'intermédiaire de leur rapport d'aspect.L'excitation lumineuse de nanoparticules d'or par des impulsions laser ultracourtes induit une cascade d'événements ultrarapides qui peuvent, eux aussi, être exploités. La génération, par absorption multiphotonique, d'un gaz d'électrons chauds modifie de façon transitoire la distribution électronique, dont la dynamique régit celle de la réponse optique. L'excès d'énergie électronique est alors transféré au réseau cristallin en quelques ps : les nanoparticules chauffent, avant de refroidir plus lentement par échange de chaleur avec le milieu hôte. Ces processus peuvent conduire à l'éjection d'électrons vers le milieu extérieur. Leur exploitation à des fins applicatives requiert leur compréhension fondamentale. Dans ce travail, nous nous intéressons principalement aux événements ayant lieu au cours de l'interaction d'une impulsion laser femtoseconde avec des nanobâtonnets d'or, dans différentes configurations.Nous déterminons la dynamique de la section efficace d'absorption et du champ proche optique d'un monomère et de dimères de nanobâtonnets d'or. Nous étudions en particulier l'influence de la distance entre bâtonnets dans le dimère et la présence d'un substrat, ainsi que celle des caractéristiques de l'irradiation (intensité crête, durée d'impulsion). Cette analyse est alors adaptée au cas d'expériences de microscopie de photo-émission électronique (PEEM) où nous déterminons la dynamique du facteur d'exaltation du champ et celle du paramètre de Keldysh, permettant de caractériser la nature du processus de photoémission, ainsi que leurs valeurs effectives pendant le passage de l'impulsion. Ces résultats mettent en évidence l'importance de prendre en compte l'évolution temporelle ultrarapide des propriétés pour une description quantitative des mécanismes impliqués.Par la suite, nous nous penchons sur la génération efficace, par éjection d'électrons et exaltation du champ plasmonique local, de dérivés réactifs de l'oxygène (ROS, pour reactive oxygen species) par des nanobâtonnets d'or sous irradiation laser impulsionnelle. L'enjeu biomédical de cette étude est important car les ROS sont connus pour avoir un pouvoir délétère sur les cellules ; ils sont pour cela exploités dans la photothérapie dynamique contre le cancer où ils sont habituellement générés par des molécules photosensiblisatrices en présence d'oxygène dissous. A contrario, d'autres développements thérapeutiques basés sur l'utilisation de nanoparticules d'or irradiées requièrent l'absence de toute génération de ROS. Notre étude se penche spécifiquement sur la détection, par emploi de sondes fluorescentes, de la production de l'oxygène singulet et du radical hydroxyle par des nanobâtonnets d'or en solution aqueuse. Nous démontrons, et expliquons par nos calculs en régime transitoire, que l'ajout d'une couche de silice dense à la surface des nanoparticules permet d'inhiber très efficacement la production de ROS.Enfin, nous présentons des expériences préliminaires de photothérapie dynamique utilisant des nanobâtonnets d'or sous impulsion laser ultracourte dans un modèle murin. Ceci nous permet de déterminer les meilleurs paramètres laser pour des applications ultérieures.