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Des nanotubes sur mesure


Les nanotubes sont des plateformes modèles pour comprendre les nouvelles propriétés des molécules confinées à l’échelle du nanomètre. Par rapport aux nanotubes de carbone, objets emblématiques des nanosciences et dans lesquels l’eau glisse, de manière extraordinaire, sans frottement, les nanotubes inorganiques d’imogolite ont la particularité d’avoir, à l’issue de leur synthèse, un diamètre parfaitement défini. En ajoutant une fonction organique au précurseur initiant la formation de la paroi interne, ces nanotubes initialement hydrophiles deviennent hydrophobes, comme les nanotubes de carbone. Leur diamètre et leur affinité avec l’eau sont ajustables, ce qui en fait des nanocontainers modèles, « sur mesure » !

Les nanotubes d’imogolite, de formule chimique (OH)3Al2O3SixGe1-x(OH), sont des nanocanaux hydrophiles. La possibilité de synthétiser des nanotubes d’imogolite méthylés, de formule (OH)3Al2O3SixGe1-x(CH3), en contrôlant le taux de substitution du germanium par le silicium, a été démontrée par une équipe du LPS en étroite collaboration avec un laboratoire du CEA Saclay (LIONS). Les mesures de spectroscopie infrarouge révèlent que l’incorporation des groupements CH3 a eu lieu sur la paroi interne des nanotubes. Le diamètre des nanotubes est ajusté grâce au taux de substitution. Cet effet, mis en évidence grâce à des mesures de diffusion des rayons X (DRX), se traduit par un déplacement continu de la position des minimas de l’intensité diffusée vers des valeurs plus faibles du module du vecteur de diffusion Q (figure).


Figure : (Gauche) Diagrammes de diffusion des rayons X sur des suspensions aqueuses de nanotubes d’imogolite méthylés (m-INT), pour différents taux de substitution x = [Si] / ([Si] + [Ge]). (Droite) Structure atomique et diamètre interne des nanotubes hydrophobes d’imogolite méthylée pour x = 0 et x = 1. η correspond à la quantité maximal de bromopropanol confinée par gramme de nanotubes.

Le développement d’une méthode de simulation des données DRX nous a permis de démontrer que le diamètre interne est monodisperse et varie entre 1.8 (x = 1) et 2.4 nm (x = 0). De plus, la position du premier minimum dépend fortement du contraste de densité électronique dans et autour du nanotube. Ainsi, nous avons montré que la densité de l’eau confinée dans ces nouveaux nanotubes est diminuée d’un facteur 3 par rapport à celle de l’eau en volume ou à celle dans les nanotubes d’imogolite non modifiés, ce qui illustre le caractère hydrophobe de la cavité interne des nanotubes d’imogolite méthylés et les rapproche des nanotubes de carbone. Nous avons de plus montré, grâce à la DRX, qu’en phase liquide, les nanotubes méthylés captent spontanément dans leur cavité des molécules organiques de bromopropanol (figure). Le contrôle de l’hydrophobicité et du diamètre des nanotubes d’imogolite devrait déboucher sur de nouvelles études expérimentales et théoriques dans le domaine du nanoconfinement moléculaire. Nos résultats font également de ces nanotubes des candidats potentiellement intéressants pour des applications dans le domaine de la filtration et de la décontamination de l’eau.

Reference :
Amara M.S., Paineau E., Rouzière S., Guiose B., Krapf, M.EM., Taché O., Launois, P. and Thill A.
Hybrid, Tunable-Diameter, Metal-Oxide Nanotubes for Trapping Organic Molecules
Chem. Mater. 27, 1488-1494 (2015).

Contacts :
Erwan Paineau
Pascale Launois