De la recherche fondamentale au partenariat industriel

Réalisation de Composants Nanostructurés

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Objectifs

Il s’agit principalement d’élaborer de nouvelles molécules afin de fonctionnaliser des substrats pour conférer aux micro- ou nanosystèmes des propriétés physiques, chimiques ou biologiques originales. Ces travaux sont par définition pluri-disciplinaires. L’intégration d’un chimiste de synthèse au sein de FEMTO−ST permet de favoriser les échanges entre chaque partenaire pour dégager des solutions originales et prometteuses tant du point de vue applicatif qu’au niveau de la recherche fondamentale.

Collaborations

  • Institut de Chimie, Neuchâtel, Suisse. Professeur Georg Süss-Fink
  • Laboratoire SPrAM, UMR CNRS CEA 5819, Grenoble, France. Professeur Saïd Sadki

Complexes organométalliques

Les travaux consistent à mettre au point des stratégies de synthèse qui permettent de contrôler la structure moléculaire de nouveaux complexes organométalliques fondés sur des entités dinucléaires de ruthénium ou de rhodium. Les principaux réactifs utilisés sont des ligands organiques contenant un hétéroatome réactif tel que le soufre ou le phosphore.

Les premiers complexes et des polymères organométalliques fondés sur une entité dinucélaire de ruthénium ont été synthétisés. Pour mener à bien ces travaux, nous avons étudié la réactivité des complexes du type H3Ru2(C6Me6)2BF4 et Ru2(C6H6)2Cl4 vis-à-vis des molécules organiques hétéroatomiques telles que les phosphines et les thiophénols. Les résultats synthétiques ont été rationalisés grâce à l’élucidation des mécanismes réactionnels. L’hydrogénation catalytique de substrats insaturés a été démontrée grâce aux complexes possédant un ligand phosphuro. Dans les cas des dérivés des thiols, les propriétés optiques et électrochimiques des complexes et des polymères ont été étudiées. Des édifices auto-assemblées par interaction électrostatique ont été réalisés et caractérisés par microscopie à force atomique.

Images AFM d'une monocouche auto-assemblée d'un oligomère de ruthénium greffé sur une lame de quartz

Images AFM d'une monocouche auto-assemblée d'un oligomère de ruthénium greffé sur une lame de quartz

Spectres UV-visible de multicouches PSS-oligomère de ruthénium greffées sur une lame de quartz (à gauche) et variation de l'absorption à 481 nm e

Spectres UV-visible de multicouches PSS-oligomère de ruthénium greffées sur une lame de quartz (à gauche) et variation de l'absorption à 481 nm en fonction du nombre de bicouches PSS-oligomère de ruthénium (à droite)

Fonctionnalisation par des monocouches auto-assemblées (SAM’s)

Il s’agit de concevoir les stratégies de fonctionnalisation de substrat pour leur conférer de nouvelles propriétés sans modifier leur structuration de surface. Pour cela, des monocouches auto-assemblées de molécules organiques sont greffées sur les substrats, l’épaisseur de la couche sensible étant de l’ordre de un à trois nanomètres.

La manipulation de goutte d’eau est possible grâce à l’utilisation d’ondes acoustiques de surface. Le substrat choisit est le niobate de lithium en raison de ses excellents coefficients piézoélectriques. Cependant, après les étapes de fabrication du dispositif, la surface devient suffisamment hydrophile pour empêcher le déplacement des gouttes d’eau. Par conséquent, un traitement de surface original a été mis au point afin de contrôler l’hydrophobicité de cette interface. En effet, aucun résultat n’était connu concernant la fonctionnalisation du niobate de lithium. Le traitement par impression moléculaire de silanes fonctionnels permet de déposer des monocouches. En fonction de la nature chimique de ces silanes, des angles de goutte allant de 100° jusqu’à 160° (superhydrophobicité) ont été mesurés. Ce traitement de surface est compatible avec l’énergie acoustique disponible dans le dispositif pour éjecter les gouttes. De plus, nous avons mis en évidence que l’angle de goutte est déterminant pour le contrôle du cône d’éjection. Un projet pour le développement d’une technique d’impression jet d’encre à haut débit et grande résolution pour les surfaces de grande dimension (> 10m2) a été déposé avec plusieurs partenaires industriel en réponse à l’appel d’offre PNANO 2006 du GIP-ANR.

Une méthode efficace pour la fonctionnalisation des fibres optiques en silice a été également mise au point. Ce projet a permit de greffer des monocouches de silane sur la gaine d’une fibre puis d’insérer sur les extrémités de ces silanes un composé dérivé de la biotine. Des essais de détection de l’avidine ont démontré la capacité de ce capteur optique intégré de détecter une substance biologique.

Perspectives

Les stratégies de synthèse originales mises au point au cours de ces travaux ont permis la réalisation de molécules ou de polymères possédant des propriétés catalytiques ou électrochimiques très importantes. Dans le domaine des micro-nanosystèmes, la première méthode de fonctionnalisation d’un substrat en niobate de lithium a été développée et utilisée pour réaliser un dispositif d’éjection de goutte. La généralisation de cette méthode sera étudiée pour développer des solutions d’impression jet d’encre industrielle ou des capteurs.

Un nouvel axe est en cours de développement en apportant une approche « bottom−up » pour intégrer des nano-objets moléculaires et profiter de leurs propriétés particulières pour créer de nouveaux dispositifs physiques (effet ferroélectrique, électronique moléculaire). Cette nouvelle thématique sera développée dans l’axe Nanosciences du département MN2S.

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