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Vers de nouveaux matériaux anisotropes aux propriétés magnétiques ajustables


L’approche “bottom-up” permet de concevoir de nombreux nanomatériaux directement par auto-assemblage de blocs de taille nanométrique. Lorsque ces blocs sont anisotropes, un enjeu important est de développer des méthodes simples permettant de les assembler en ayant une même orientation pour tous les blocs, ceci afin de construire un matériau qui soit lui aussi anisotrope à l’échelle macroscopique. Les matériaux mésoporeux à porosité ordonnée en sont un bon exemple. Leur porosité est constituée de canaux de quelques nanomètres de diamètre et de plusieurs microns de long, que l’on souhaite pouvoir orienter tous parallèles entre eux sur des volumes macroscopiques de quelques mm3 voire cm3. On obtiendra ainsi un matériau poreux dont les coefficients de diffusion macroscopiques sont anisotropes, un point crucial lors de son utilisation pour encapsuler des espèces actives. Plus généralement, pour toutes les applications en science des matériaux, une orientation à grande échelle assure que toute réponse physique, qu’elle soit thermique, mécanique, optique ou encore magnétique soit anisotrope. Les matériaux mésoporeux nanocomposites à base de silice et d’oxyde de fer suscitent actuellement beaucoup d’intérêt. Ils peuvent encapsuler dans la porosité une espèce active, et, en même temps, être manipulés grâce à une force magnétique. Les applications visées sont l’encapsulation de médicaments, l’imagerie biologique, le traitement des eaux contaminées ou encore la catalyse.


Particules mésoporeuses à morphologie en bâtonnet, rendues magnétiques par la présence de nanocristaux d’oxyde de fer. (a) Schéma d’une particule avec les nanocristaux d’oxydes de fer confinés à l’intérieur des nanocanaux (diamètre 7 nm) ; (b) diffraction d’électron sur une particule unique montrant l’orientation cristallographique de l’oxyde de fer dans les canaux ; (c) image de diffusion des rayons X montrant l’alignement sous champ des particules ; (d) chaînes de particules aimantées observées en microscopie optique.

Nous avons réussi à assembler des particules mésoporeuses de silice en forme de bâtonnet, rendues préalablement magnétiques en confinant des nanocristaux d’oxyde de fer dans la porosité. Ces particules sont très anisotropes, d’une longueur de quelques microns et d’un diamètre 10 fois plus petit que leur longueur. Nous avons montré qu’elles s’orientent très facilement sous un champ magnétique modéré ( 200 mT), ceci en les dispersant dans un solvant sous forme de suspension colloïdale. Elles s’orientent avec leur grand axe le long du champ magnétique, ce que nous avons attribué à une anisotropie de forme de leur composante magnétique. En effet, les nanocristaux d’oxydes de fer sont confinés dans les canaux de la porosité, et forment des chaînes magnétiques, dont l’orientation préférentielle est le long du champ. Deux polymorphes de l’oxyde de fer Fe2O3 ont été obtenus, la phase \gamma superparamagnétique et la phase \epsilon multi-ferroïque. La transition de phase entre ces deux polymorphes a lieu autour de 900°C et des relations topotactiques ont été observées entre ces deux structures cristallographiques. Comme la croissance des nanocristaux a lieu sous confinement dans les canaux, une orientation cristallographique préférentielle de l’oxyde de fer est observée, ce qui induit une anisotropie des propriétés magnétiques.
Par la suite, on peut donc imaginer réaliser un matériau dont l’anisotropie magnétique des nanocristaux se conserve jusqu’à l’échelle macroscopique, ceci en alignant les particules sous champ et en figeant ensuite l’orientation des particules. Ceci sera particulièrement intéressant pour la phase \epsilon de l’oxyde de fer, qui présente des propriétés multi-ferroïques très prometteuses. Pour cela, des méthodes de polymérisation du solvant sous champ magnétique sont envisagées dans un futur proche. On pourra aussi facilement varier la quantité d’oxyde de fer afin d’ajuster la réponse magnétique de ces nanocomposites.

Référence :

Alignment under Magnetic Field of Mixed Fe2O3/SiO2 Colloidal Mesoporous Particles induced by Shape Anisotropy
J. G. Li, G. Fornasieri, A. Bleuzen, M. Gich, A. Gloter, F. Bouquet & M. Impéror-Clerc
Small , DOI : 10.1002/smll.201602272 (2016).

Contact :

Marianne Impéror
Jheng Guang Li

Collaborations :


Equipe d’Anne Bleuzen (ICMMO, Orsay)
Equipe de Marti Gich (ICMAB, Barcelona, Spain)