Etude des mécanismes physico-chimiques induisant la production de radicaux et d'électrons solvatés par les nanodiamants

par Florent Ducrozet

Projet de thèse en Science des Matériaux

Sous la direction de Jean-Charles Arnault et de Cécile Sicard.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie - DRF/IRAMIS (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Des résultats récents de la littérature et du Laboratoire Capteurs Diamant démontrent le très fort potentiel du diamant hydrogéné (film ou nanoparticules) pour constituer une source solide d'électrons solvatés, très puissants réducteurs chimiques. Ces découvertes ouvrent la voie à de nouvelles applications pour le diamant, en catalyse notamment avec la réduction du CO2 en composés valorisables [Zhang] ou en nanomédecine avec un effet radiosensibilisant par surproduction de radicaux libres. Les travaux pionniers du Laboratoire Capteurs Diamant en collaboration avec le Laboratoire de Cancérologie Expérimentale (CEA DRF) autour des nanodiamants de détonation hydrogénés (taille 5 nm) pour la radiosensibilisation ont permis de valider leur efficacité in-vitro et in-vivo [Grall]. Une première étude menée en collaboration avec le Laboratoire de Chimie Physique (LCP) a permis de démontrer une surproduction de radicaux hydroxyles par des nanodiamants hydrogénés en suspension dans l'eau sous illumination par des rayons X d'énergie 17 keV [Kurzyp]. Ce résultat, surprenant car les coefficients d'absorption massique pour l'eau et le carbone sont équivalents à cette énergie, suggère un rôle prépondérant de l'interface et un nécessaire changement de paradigme. L'objectif de ce travail de thèse est d'identifier et de comprendre les mécanismes impliqués dans la surproduction de radicaux et d'électrons solvatés par les nanodiamants sous irradiation. Les concentrations de radicaux hydroxyles et d'électrons solvatés seront mesurées à l'état stationnaire en utilisant des sondes fluorescentes [Sicard]. Les effets de l'énergie d'irradiation (de l'UV aux rayons gamma) et de la taille des nanoparticules seront étudiés. Ces performances seront comparées à celles des nanoparticules d'or qui constituent un matériau de référence. Petit et al. ont récemment montré que l'arrangement des molécules d'eau pouvait varier avec la chimie de surface des nanodiamants [Petit]. Ainsi, ce travail de thèse s'intéressera-t-il également à explorer la nature de l'interface diamant/molécules d'eau en utilisant des nanodiamants de différentes chimies de surface et des nanodiamants deutérés et à mettre en parallèle production de radicaux et structuration de l'eau en surface. Références Zhang et al, Angewandte Chemie 53 (2014) 1 Grall et al, Biomaterials 61 (2015) 290 Kurzyp et al, Chem. Comm. 53 (2017) 1237 Sicard et al, Small 16 (2014) 3338 Petit et al, J. Phys. Chem. C 121 (2017) 5185

  • Titre traduit

    Chemical and physical mechanisms inducing radical and solvated electrons production by nanodiamonds


  • Résumé

    Recent reports from the literature and from Diamond Sensors Laboratory demonstrated the high potential of hydrogenated diamond (film or nanoparticles) to act as a solid source of solvated electrons which constitute powerful chemical reducing agents. These findings open the way to new applications for diamond, especially in catalysis with the CO2 reduction into exploitable compounds [Zhang] or in nanomedicine with a radiosensitization effect by an overproduction of free radicals. Previous works from Diamond Sensors Laboratory in collaboration with the Experimental cancerology Laboratory (CEA DRF) dealing with hydrogenated detonation nanodiamonds (size 5 nm) for radiosensitization have validated their efficacy in-vitro and in-vivo [Grall]. A first study performed with the Chemical Physics Laboratory (LCP) demonstrated an overproduction of hydroxyl radicals by hydrogenated detonation nanodiamonds in aqueous suspension under illumination by X-rays of 17 keV [Kurzyp]. This result looks surprising according to the close mass absorption coefficients for carbon and water at this energy. However, it reveals the major role played by the interface and that a new paradigm is required. The main objective of this PhD is to identify and understand the mechanisms involved in the overproduction of radicals and solvated electrons by nanodiamonds under irradiation. The concentrations of hydroxyl radicals and solvated electrons will be measured at the stationary state using fluorescent probes [Sicard]. Effects of irradiation energy (from UV to gamma rays) and of the nanoparticles size will be investigated. Performances will be compared to gold nanoparticles which are a reference material. Petit et al. have recently shown that the arrangement of water molecules could vary with the surface chemistry of nanodiamonds [Petit]. This PhD will also explore the nature of the diamond/water molecules interface using different surface chemistries and deuterated nanodiamonds. The production of radicals and the water structuration at the surface will be correlated. References Zhang et al, Angewandte Chemie 53 (2014) 1 Grall et al, Biomaterials 61 (2015) 290 Kurzyp et al, Chem. Comm. 53 (2017) 1237 Sicard et al, Small 16 (2014) 3338 Petit et al, J. Phys. Chem. C 121 (2017) 5185