Synthèse et auto-assemblage de nanoparticules colloïdales en super-réseaux bidimensionnels

Synthesis and Self-Assembly of colloidal nanoparticles into two-dimensional superlattices

• Auteur / Autrice : Chiara Moretti
• Direction : Benjamin Abecassis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie. Lyon (2003-….)
• Jury : Président / Présidente : Élodie Bourgeat-Lami
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Abecassis, Élodie Bourgeat-Lami, Alexa Courty, Simon Tricard, Bertrand Donnio, Marianne Impéror-Clerc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexa Courty, Simon Tricard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synthèse (chimie)

Autoassemblage

Quasicristaux

Nanofluides

Nanoparticules

Mots clés libres

Synthèse

Auto-assemblage

Nanoparticules

Super-réseaux

Quasi-cristaux

Synthesis

Self-assembly

Nanoparticles

Superlattices

Quasicrystals

Résumé

Les nanoparticules colloïdales (NPs) peuvent s'assembler en une grande variété de super-réseaux, allant d'assemblages amorphes vers des structures périodiques et apériodiques, qui présentent éventuellement des propriétés physiques collectives. Cependant, notre compréhension des différents paramètres expérimentaux affectant la structure finale assemblée est encore incomplète, ce qui empêche une approche prédictive vers la conception de super-réseaux de NPs. L'objectif de cette thèse est de contrôler l'auto-assemblage bidimensionnel de NPs à l'interface liquide-air à partir de l'évaporation d'une dispersion de NPs sur une surface liquide. Le premier chapitre passe en revue l'état de l'art sur la synthèse des NPs, les interactions colloïdales à l’échelle nanometrique, l'auto-assemblage, les quasi-cristaux, les super-réseaux apériodiques et les propriétés collectives. Dans le deuxième chapitre, nous abordons la synthèse de NPs d'or sphériques hydrophobes très monodisperses et leur auto-assemblage. De nombreuses structures différentes ont été observées : monocouches hexagonales compactes, motifs de Moiré, NPs fusionnées. Nous avons ensuite étudié l'auto-assemblage de systèmes binaires composés de NPs sphériques ou cubiques en faisant varier plusieurs paramètres expérimentaux. Dans le chapitre quatre, nous nous concentrons sur la synthèse et l'auto-assemblage de nanoplaquettes (NPLs) triangulaires de fluorure de cérium. En utilisant la diffusion in situ des rayons X aux petits angles et aux grands angles, nous avons étudié leur mécanisme de croissance et mis en évidence un processus d'auto-assemblage lamellaire induit par la nucléation. Dans le dernier chapitre, nous rapportons la synthèse et l'auto-assemblage de NPLs de CdSe carrées. Enfin, nous avons étudié l'auto-assemblage binaire de NPL triangulaires et carrées ayant la même longueur d'arête pour reproduire le motif des structures quasi-cristallines. Notre étude permet d'établir des lignes directrices pour la formation de films et les ajustements de structure, une première étape vers des super-réseaux plus complexes pour concevoir de nouveaux nanomatériaux. Nous ouvrons également une voie vers la compréhension des mécanismes de formation des NPLs et apportons des éléments qui peuvent être étendus à d'autres systèmes et faciliteront la conception rationnelle d'assemblages de NPs colloïdales.

Colloidal nanoparticles (NPs) can assemble into a large variety of superlattices, going from amorphous glassy assemblies towards periodic and aperiodic structures, which eventually display collective physical properties. However, our understanding of the different experimental parameters affecting the final assembled structure is still incomplete which prevents a predictive approach towards the design of NP superlattices. The aim of this thesis is to control the two-dimensional self-assembly of NPs at the liquid-air interface from the evaporation of a NP dispersion on a liquid surface. The first chapter reviews the state of art on NP synthesis, colloidal interactions, self-assembly, quasicrystals, aperiodic superlattices and collective properties. In the second chapter, we discuss the synthesis of well-defined hydrophobic spherical gold NPs and their self-assembly. Many different structures were observed: hexagonal close-packed monolayers, Moiré patterns, fused NPs. Then, we investigated the self-assembly of binary systems composed of spherical or cubic NPs by varying several experimental parameters. In Chapter Four, we focus on the synthesis and self-assembly of triangular cerium fluoride nanoplatelets (NPLs). Using time-resolved in situ small- and wide-angle X-ray scattering, we investigated their growth mechanism and evidence a nucleation-induced lamellar self-assembly process. In the last chapter, we report the synthesis and self-assembly of square CdSe NPLs. Finally, we investigated the binary self-assembly of triangular and square NPLs with the same edge length to reproduce the pattern of quasicrystalline structures. Our study helps to establish guiding principles for film formation and structure tuning, a first step towards more complex superlattices to design new nanomaterials. We also open a route toward the understanding of NPL formation and bring insights that can be extended to other systems and will facilitate the rational design of colloidal NP assemblies.