Thèmes de recherche
Phénomènes éléctrocinétiques. Méthodes expérimentales et traitements théoriques. Collaboration avec G. Mériguet et G. Roger.
Caractérisation de surfaces et de dépôts par microscopie à champ proche.
Transport et réactivité électrochimique de nanocolloïdes chargées sur des surfaces chargées. Collaboration avec E. Dubois, J. Chevalet et I. Lucas.
Recherches actuelles
Colloïdes et nanocolloïdes chargés : transport et examen direct.
Nous entendons par transport d’espèces chargées à la fois la mise en mouvement sous l’effet d’une perturbation dans le volume et les phénomènes dynamiques qui apparaissent lorsqu’une surface se charge ou est chargée. Le terme de surface s’applique à la surface de particules mais aussi à celle d’électrodes.
Une partie de l’originalité de ce travail repose sur le fait d’avoir utilisé une onde acoustique comme perturbation et d’avoir su prendre en compte les interactions de paire entre toutes les espèces chargées, sans négliger une espèce par rapport aux autres comme c’est souvent le cas. En effet, la conductivité est approximativement proportionnelle à alors que le signal d’acoustophorèse est, lui, proportionnel à où est la concentration en espèce de type ayant une charge et un rayon . Ainsi, le signal dû aux colloïdes est généralement négligé en conductivité, alors que celui des ions est généralement négligé en acoustophorèse. Ces approximations ne sont plus valables pour des suspensions nanocolloïdales et/ou pour de hautes forces ioniques et/ou pour de hautes fractions volumiques. Nous avons donc développé des modèles qui ne reposent pas sur ces approximations.
Parallèlement, nous avons mis au point des protocoles expérimentaux permettant de caractériser la géométrie des nanocolloïdes que nous étudions. Ainsi, des méthodes de dépôt ont été développées. Ces dépôts sont ensuite étudiés par microscopie à champ proche. Des programmes informatiques ont été créés et permettent de traiter les images quantitativement. Le résultat est un histogramme portant sur les hauteurs, les dimensions horizontales caractéristiques et la fonction de distribution des particules à la surface.
De même, de nombreuses études ont été menées pour caractériser la surface, tant sur l’aspect rugosité (microscopie à force atomique) que sur la réactivité locale (microscopie à effet tunnel – résolution atomique).
Une nouvelle thématique a alors émergé en 2004 : l’étude de l’électrochimie des nanocolloïdes. En effet, le comportement de ces édifices supramoléculaires ne s’apparente ni aux réactions électrochimiques d’ions simples ni à celles de colloïdes usuels (> 200 nm). Cette approche devrait être étendue prochainement aux polyélectrolytes, avec la complication supplémentaire qui est la variation de la forme de la chaîne en fonction du potentiel ressenti par celle-ci.
L’essor des nanotechnologies a fait naître un besoin croissant dans la caractérisation des suspensions de nanocolloïdes sur une large gamme de concentration. Notre approche, basée sur la microscopie à champ proche et le développement d’outils théoriques spécifiques pour exploiter les mesures électrocinétiques faites sur ces systèmes, permet de résoudre ce problème pour la première fois. On peut ainsi déterminer la taille moyenne et sa polydispersité très précisément ainsi que la charge effective des nanoparticules sphériques ou non sphériques.
En couplant Microscopie à Force Atomique (AFM), Conductivité, Acoustophorèse et zêta-métrie Laser, nous avons pu déterminer ces deux données clefs (taille et charge) pour des suspensions de nanocolloïdes chargés en fonction de divers paramètres physico-chimiques imposés (fraction volumique, pH et force ionique).
D’autres techniques sont actuellement développées comme la Spectroscopie Acoustique et Diélectrique sur une large bande de fréquences pour étudier encore plus finement ces suspensions de l’état très dilué à l’état très concentré, voire au quasi sec dans le cas des argiles servant au confinement des déchets radioactifs.
Parcours de recherche
Après des études de Physique Fondamentale au Magistère Universitaire de Physique d’Orsay (Paris 11), j’ai fait une thèse au Laboratoire des Propriétés Physico-chimiques de Electrolytes (Pr. Chemla et Pr. Turq) de l’Université Pierre et Marie Curie (Paris 6) de 1992 à 1995 sous la direction du Pr. P. Turq. Il s’agissait d’une étude théorique de phénomènes de transports couplés. On entend par transports couplés, le fait que, dans une solution d’électrolytes, le moindre écart d’un ion à sa position moyenne d’équilibre est ressenti par les autres électrolytes. Ceci est dû fondamentalement au fait que les interactions prédominantes sont à longues portées (interactions électrostatiques). L’autre interaction fondamentale de ces systèmes est l’interaction hydrodynamique transmise par le solvant.
J’ai donc tenté de décrire ces phénomènes dans deux cas particuliers où la perturbation est due soit à un champ électrique (conductivité) soit à un champ acoustique (acoustophorèse). Dans les deux cas, la détection est une différence de potentiels mesurée aux bornes de deux électrodes. Parmi les diverses approches envisagées, nous avons choisi de privilégier les théories analytiques et de ne pas faire appel aux simulations numériques, alors difficilement exploitables, pour décrire le signal. L’écart à l’équilibre est alors envisagé dans le cadre de l’Approximation Sphérique Moyenne (MSA) qui permet de prendre en compte, en plus des interactions électrostatiques, la taille individuelle des ions par l’introduction d’un potentiel d’interaction de type sphères dures. La prise en compte du volume exclu va bien au-delà des travaux fondateurs de Debye et d’Onsager. Cette approche permet, certes, d’avoir des résultats analytiques faciles à mettre en œuvre du point de vue informatique, mais surtout de ne pas perdre l’information physique et de quantifier l’influence de chaque correction dans le résultat final. Nous avons ainsi pu décrire et expliquer des résultats de conductivité et d’acoustophorèse pour des systèmes simples ou complexes (tensioactifs) dans la gamme de concentration très large( 10-5 à 1 mol/L). Ces travaux ont donné lieu à 7 articles, une partie d’un livre et une vingtaine de communications orales.
J’ai ensuite été recruté par concours dans ce même laboratoire en septembre 1995 pour une position d’Attaché Temporaire d’Education et de Recherche (ATER) de 12 mois. Ma fonction était de faire le lien entre le groupe électrolytes dont j’étais issu et le groupe électrochimie industrielle qui avait la responsabilité de l’appareil de microscopie à champ proche (AFM/STM – Nanoscope III – Digital Instruments) acheté en 1994. Après m’être formé sur cet appareil commercial, j’ai commencé à développer des méthodes pour étudier des surfaces modifiées par voie électrochimique. Trois articles ont finalisés ce travail et sont parus en 1997 et 98.
J’ai ensuite obtenu une bourse Européenne de 9 mois (premières bourses Pierre et Marie Curie) pour travailler au laboratoire de Physico-chimie de Turku (Abo) en Finlande sous la direction du Pr. J. Rosenholm. Entre septembre 1996 et février 1997 j’ai pu reprendre mes travaux sur l’acoustophorèse. Cette fois il s’agissait d’une approche expérimentale et l’objet de l’étude était de très gros électrolytes puisqu’il s’agissait de colloïdes d’un diamètre de l’ordre de 200 nm (charge de l’ordre de 500). J’ai ainsi pu commencer à utiliser ma double compétence théorie du transport/microscopie à champ proche pour déterminer la distribution en taille par AFM et la charge par acoustophorèse. Ce travail a donné lieu à 1 article.
J’ai quitté ce laboratoire où les conditions expérimentales étaient exceptionnelles, après seulement 7 mois, suite à une offre de contrat de 5 ans au CABE (Chimie Analytique et Biophysicochimie de l’Environnement à l’Université de Genève en Suisse) pour travailler sous la direction du Pr. J. Buffle. Il s’agissait cette fois de faire une étude théorique de la sédimentation d’agrégats de structure fractale. En effet, il semble que ces agrégats sédimentent deux à trois fois plus vite que les autres, ce qui expliquerait un certain nombre de problèmes environnementaux. La conclusion de ce travail fut qu’il fallait faire appel aux simulations numériques et aux interactions à N corps. Une série d’articles basés sur une approche numérique du problème (Latice Boltzmann) ont récemment été publiés par ce laboratoire que j’ai quitté au bout de 6 mois. J’étais en effet recruté comme maître de conférence (section 31) dans le laboratoire LI2C où j’avais fait ma thèse et mon ATER.
J’ai d’abord travaillé à développer l’utilisation de la microscopie à champ proche pour aider à la compréhension des résultats obtenus par traitement chimique et électrochimique de diverses surfaces. Accessoirement j’ai utilisé cet appareil pour caractériser des surfaces de membranes. Pendant cette période 1997-2003, j’ai participé à la rédaction de 6 articles et d’un ouvrage sur mes travaux précédents. En 2003, je me suis recentré sur mes compétences en électrocinétique et en physico-chimie colloïdale. Je développe ainsi deux axes de recherche : le premier sur les phénomènes de transport de nano colloïdes et le second sur leurs comportements électrochimiques. En effet, l’électrochimie de telles particules est un domaine presque vierge et dépend de leur comportement en solution qui, lui aussi, est très mal décrit. Ce recentrage thématique a été induit par l’intérêt croissant pour la nanotechnologie et l’émergence forte des « microsystèmes analytiques intégrés pour l’analyse totale » (SFR et FR des sciences Chimiques pour l’analyse et la mesure de Paris Centre), et aussi par le départ d’un collègue, le Dr C. Treiner, qui a bien voulu m’initier à ses thématiques de caractérisation physico-chimiques de fluides complexes. Enfin, l’arrivée dans le groupe du Dr. E. Dubois, qui sait synthétiser et caractériser des nano colloïdes magnétiques, permet d’avoir un système contrôlé dès sa synthèse.
J’ai obtenu en décembre 2004 une Action Concertée d’Initiative Jeune Chercheur (ACI JC 4087) qui m’a permis d’acheter un appareil commercial d’acoustophorèse en juillet 2005. Cet appareil permet de travailler sur une large gamme de fréquences et propose deux types de mesures : la spectroscopie acoustique pour connaître la taille et l’acoustophorèse (application d’une onde acoustique et mesure d’un courant) pour déterminer la charge effective. L’intérêt essentiel de ce type de mesure est, qu’en s’affranchissant d’une détection optique, on peut travailler sur des suspensions concentrées et souvent opaques. En outre, l’onde excitatrice étant acoustique, on peut travailler sur des suspensions de forte salinité sans qu’il y ait d’échauffement (c’est le cas lorsqu’un champ électrique est appliqué comme en zétamétrie laser). Nous avons fait une série de mesures et sommes en train d’adapter notre approche théorique pour réinterpréter les résultats en prenant en compte toutes les espèces chargées, ce qui n’est pas encore le cas aujourd’hui.
Bibliographie
> Voir HAL
Ouvrages
Electrolytes at Interfaces, Progress in Theoretical chemistry and physics. Vol. I. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. Hardbound, ISBN 0-7923-5922-4, 370 pp. 2000 S. Durand-Vidal, J.-P. Simonin, P. Turq
Enseignement
Enseignements de chimie générale, de physico-chimie et de chimie analytique à l’UPMC.
Formation Permanente : Outils de caractérisation de particules colloïdales en suspension.
Formation permanente UPMC
Ouvrages collectifs
Articles
Comptes-rendus
Émissions de radio et de télévisions