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Suivi in situ et multi-échelle de la croissance des nanostructures en solution


Dans certaines conditions, on peut obtenir des nano-bâtonnets très allongés d’argent par croissance sur des germes d’or. D’où vient cette forme ? Des chercheurs du LPS, en collaboration avec le laboratoire MPQ et le synchrotron SOLEIL (ligne SWING), ont étudié en temps réel la croissance en solution de nano-bâtonnets d’argent sur un cœur d’or en combinant trois techniques in situ. Leur approche multi-échelle a mis en évidence un rôle inattendu de l’acide ascorbique, un réducteur largement employé pour synthétiser des nanoparticules, dans la formation de nanostructures anisotropes.

Le contrôle de la taille et de la forme des nanoparticules métalliques représente un enjeu fondamental pour la science des matériaux. Pour y parvenir, il faut notamment identifier l’action de chaque espèce participant à la réaction. Une telle étude est pourtant difficile à mener, d’un côté parce que chaque technique ne présente qu’une information partielle ou indirecte de la synthèse, et de l’autre parce qu’un seul réactif peut jouer plusieurs rôles dans ce processus.

Figure : Contours (extraits des images STEM) de particules d’argent croissant sur une bipyramide d’or, avec (gauche) ou sans (droite) acide ascorbique. Le temps augmente selon les couleurs de l’arc-en-ciel. Les images montrent la forme des pointes en fin de croissance et les facettes qui les définissent.

Des chercheurs du LPS, en collaboration avec le laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ, CNRS/Université de Paris) et avec la ligne de lumière SWING du synchrotron SOLEIL, ont combiné trois techniques in situ permettant de sonder en temps réel la croissance des nanostructures en solution : la spectroscopie d’absorbance UV-Visible, la diffusion des rayons X aux petit angles et la microscopie électronique en transmission en cellule liquide.

Dans ce travail, les chercheurs se sont intéressés à la croissance de nano-bâtonnets d’argent sur des germes d’or en forme de bipyramides et ont découvert l’origine de la forme allongée de ces objets. Jusqu’à présent, le consensus dans la communauté l’attribuait d’une part à la présence de macles dans les nanoparticules d’or et d’autre part à l’adsorption préférentielle de halogénures, présents dans la solution, sur certaines facettes cristallines. La nouvelle étude a prouvé que l’acide ascorbique, utilisé comme agent réducteur, est en fait indispensable à la croissance anisotrope et agit en synergie avec les halogénures pour stabiliser des facettes particulières du cristal d’argent. Ce travail collaboratif illustre comment des approches in situ corrélatives peuvent rationaliser la synthèse des nanomatériaux par voie chimique.

Référence

Real-time in situ observations reveal a double role for ascorbic acid in the anisotropic growth of silver on gold
Kinanti Aliyah, Jieli Lyu, Claire Goldmann, Thomas Bizien, Cyrille Hamon, Damien Alloyeau, et Doru Constantin
Journal of Physical Chemistry Letters 11(8), 2830-2837 (2020)
DOI:10.1021/acs.jpclett.0c00121

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Doru Constantin