Institut des
NanoSciences de Paris
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Auto-organisation de nanoparticules contrôlée par cristaux liquides

Emmanuelle Lacaze

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Nous utilisons les déformations des cristaux liquides pour contrôler l’auto-assemblage de nanoparticules. De façon générale, en présence d’une matrice déformée, des nanoparticules se logeront dans la partie la plus déformée pour gagner en énergie de déformation. En présence de défauts topologiques, le gain en énergie, et donc la stabilisation du système hybride, sera encore supérieure, l’énergie gagnée à localiser une nanoparticule au cœur du défaut étant une énergie de désordre. Nous travaillons donc à profiter de la mise en ordre de défauts topologiques (matrices cristal liquide smectiques) ou de déformations élastiques (matrices cristal liquide cholestériques) pour contrôler l’auto-organisation induite de nanoparticules. Il s’agit ici de poser deux questions principales :
- Comment a lieu l’auto-organisation de nanoparticules au sein des cristaux liquides déformés, comment contrôler une anisotropie du couplage électromagnétique, pour de nouvelles propriétés optiques.
- Comment se joue le piégeage de nanoparticules au sein des déformations cristal liquide ? Quelles modifications sont induites par rapport aux films cristal liquide sans nanoparticules ?

1 .Défauts topologiques smectiques et nanoparticules [42, 61, 64]
Nanosphères d’or [42, 64] :

En présence de défauts topologiques orientés (stries huileuses [65]), nous montrons que des chaines de nanoparticules sont créées, strictement orientées dans la même direction, induisant une absorption optique (Localized Surface Plasmon résonance - LSPR) anisotrope, contrôlée par la polarisation incidente, parallèle ou perpendiculaire aux défauts cristal liquide [42]. Nous montrons par ailleurs que le couplage électromagnétique entre nanoparticules dans les chaines est gérée à la fois par la présence des ligands autour des nanoparticules qui contrôlent répulsion stérique et attraction de Van der Waals entre nanoparticules et par la localisation des nanoparticules dans les défauts topologiques, qui a tendance à séparer les nanoparticules pour qu’elles occupent une place maximale dans le cœur du défaut [64]. Par conséquent un paramètre clef pour le contrôle du couplage électromagnétique devient l’évaporation du solvant qui impose une plus ou moins forte interdigitation entre ligands de nanoparticules voisines et donc une densité plus ou moins forte de l’attraction de Van der Waals par rapport à la répulsion entre nanoparticules induite par le cristal liquide.

Nanobatonnets semi-conducteurs [61] :

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Nous avons étudié des nanobatonnets de CdSe/CdS (nanobatonnets core-shell dits ‘dot-in-rods »), dispersés dans les stries huileuses. Ce sont des émetteurs de photons uniques, de telle sorte que les nanoparticules uniques peuvent être sélectionnés par « antibunching ». Nous les avons sélectionnés et nous avons alors montré par l’étude de la polarisation de leur émission que les nanobatonnets sont alignés le long de l’axe des hémicylindres avec une précision de 6°. La mise en évidence des chaines et de bâtonnets orientés le long de l’axe des hémicylindres démontre que les dislocations sont des pièges plus favorables que les joints de grain fondu, en accord avec une structure hiérarchique des défauts dans les stries huileuses pour le phénomène de piégeage des nanoparticules [65]. Nous essayons maintenant de comprendre l’origine de cette hiérarchie, en lien avec la structure intime des défauts, encore inconnue, ce qui démontre comment l’étude des hybrides peut permettre de mieux comprendre la structure de défauts topologiques.

Thèse : Delphine Coursault, Laurent pelliser, Iryna Gryn et Syou Pheng Do

Collaborateurs : B. Rozic, Y. Bornesztein, M. Goldmann (INSP), M. Alba (EA-Saclay), B. Zappone (université de Calabre, Italie) ,N. Felidj, S. Truong, G. Levy et Y. Grand (Itodys, Paris), B. Donnio et J. L. Gallani (IPCMS, Strasbourg) ; J. F. Blach (Université Artois, Lens), A. Coati, Y. Garreau et A. Vlad (Soleil-Saint Aubin, O. Merchiers (Insa Lyon)), D. Babonneau (Institut P’, Poitiers), A. Bramati, M. Manceau (LKB, Paris), Z. Kutnjak, G. Cordoyannis, S. Kralj, M. Trcek (Josef Stefan Institute, Slovenie, C. Rosenblatt, I. Nemitz, R. Petscek (CWRU, USA).

2 Matrices cristal liquide élastiquement déformées et nanosphères d’or [45], 50]

Nous étudions des systèmes hybrides avec nanoparticules, en présence de matrices cristal liquide cholestériques, élastiquement déformées [28]. Il s’agit d’explorer comment a lieu l’auto-organisation induite des nanoparticules, mais également d’explorer comment a lieu la stabilisation de ce type de matrices déformées, en présence de nanoparticules. Nous avons mis en évidence une auto-organisation anisotrope induite pour les nanoparticules [45, 50]. Avec les mêmes nanoparticules que celles utilisées pour les défauts topologiques smectiques [42], nous mettons en évidence que des rubans sont formés. Par opposition au cas des nanoparticules piégées dans des défauts topologiques, la distance entre nanoparticules est très petite, 0.6nm, nettement inférieure à la taille des ligands de dodecanethiols greffés à la surface des nanoparticules. Cela s’interprète comme un effet du désordre induit par les nanoparticules au sein de la matrice cholestérique. Cet équivalent d’une compression entre nanoparticules induite par la matrice cristal liquide n’a pas lieu dans les défauts topologiques, les nanoparticules étant alors piégées au sein de zones cristal liquide déjà désordonnées [64].

Thèse : Joel pendery, Ines Gharbi.

Collaborateurs : Y. Borensztein, J. Fresnais et V. Dupuis (Phenix) ; B. Zappone (université de Calabre, Italie) , N. Felidj, S. Truong, G. Levy et Y. Grand (Itodys, Paris), B. Donnio et J. L. Gallani (IPCMS, Strasbourg) ; O. Merchiers (Insa Lyon)), C. Rosenblatt (CWRU, USA), H. Ayeb, T. Othman (université de Tunis)