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Labex MATISSE
MATériaux, InterfaceS, Surfaces, Environnement

Fluorescence X à dispersion de longueur d’onde (WDXRF) pour l’analyse haute résolution de la composition chimique de matériaux complexes

Fiche technique

  • Intitulé : Fluorescence X à dispersion de longueur d’onde (WDXRF) pour l’analyse haute résolution de la composition chimique de matériaux complexes
  • Thème : Projet multi-thématique : axe 2 – axe 3 – axe 5
  • Financement :
    - MATISSE : 33 %
    - ANR-2014-CE08-0016-03- PEPSI : 8%
    - ANR-2014-CE05-0036-03 E-Air : 15%
    - ANR-2015-CE04-0007-06 POLPHARMA : 14%
    - ANR 2016 - accepté - JCJC OxySUN : 14%
    - ANR 2016 – accepté - PRC HSP : 8%
    - ANR 2016 - accepté - PRC InSiChem : 8%
  • Responsable scientifique du projet : Corinne Chanéac - Equipe Matériaux Hybrides et Nanomatériaux (MHN) du LCMCP
  • Co-porteurs : 
    - Andrea Gauzzi - Equipe Design et étude de nouveaux matériaux à propriétés remarquables (DEMARE) - Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC)
    - Bruno Viana - Equipe Matériaux pour la Photonique et l’Optoélectronique (MPOE) - Institut de Recherche de Chimie Paris (IRC) Chimie ParisTech
    - Slavica Stankic - Equipe Oxydes en basses dimensions (OBD) - Institut des NanoSciences de Paris (INSP)
  • Localisation : Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris

Présentation du projet scientifique

Le projet FluoMatX vise à équiper les laboratoires du Labex MATISSE d’une technique d’analyse élémentaire à la fois polyvalente, résolue et précise : la spectroscopie de fluorescence X à dispersion de longueur d’onde (WDXRF, ou microsonde de Castaing). En fournissant une mesure de la composition chimique pour une très large gamme d’éléments, des éléments lourds (terres rares, bloc p) jusqu’aux éléments légers, en particulier le bore, l’équipement envisagé est au niveau de l’état-de-l’art, voire au-delà puisqu’à notre connaissance, aucun laboratoire français ne possède un fluorimètre X adapté à tous ces éléments à la fois, avec une résolution et une sensibilité inégalée grâce à la présence de cristaux analyseurs. L’UPMC se positionnera parmi les rares instituts européens possédant cette technique. Un tel équipement renforcera la dynamique des projets collaboratifs au sein de l’UPMC, initiés pour un grand nombre par le Labex MATISSE. Il apportera des solutions rapides et performantes à l’analyse chimique des matériaux complexes devenue problématique suite au changement politique du Service Central d’Analyse du CNRS de Vernaison. Cet équipement s’inscrira dans un projet scientifique autour de l’élaboration de matériaux originaux particulièrement novateur qui se décline en 2 grands axes :

  1. Nanomatériaux et matériaux nanostructurés complexes.
    LCMCP, IRC, INSP.Axes MATISSE 2 et 3 La synthèse de matériaux est un des fers de lance du labex MATISSE. Les technologies de pointe utilisent de plus en plus de nanomatériaux et nanostructures afin d’améliorer les dispositifs existants ou de développer de nouveaux concepts. Cette révolution technologique nécessite des matériaux au design complexe tant par leur structure que par leur composition chimique. Des travaux financés par le labex et impliquant plusieurs laboratoires portent sur la synthèse et les propriétés de nanomatériaux inorganiques ou hybrides. En particulier, une collaboration entre le LCMC et l’IRC a permis de développer les premiers exemples de nanosondes optiques pour l’imagerie médicale possédant des propriétés de luminescence persistante1-2. Cette thématique a véritablement émergé ces dix dernières années avec une croissance exponentielle du taux de publication. Le consortium développe actuellement une nouvelle génération de sondes opérant dans la seconde fenêtre de transparence des tissus (1000-1400nm) susceptible d’améliorer grandement l’intensité du signal et encore très peu étudiée faute de détecteur approprié et de par la difficulté à réaliser les matériaux adéquats. Le consortium ambitionne de synthétiser les premières nanoparticules (< 50 nm) de YAG de composition Y3Al5-xGaxO12:Nd3+, Ce3+, Cr3+ en utilisant des procédés de cristallisation assistés par chauffage microonde, et persistante à 1060 et 1110 nm. L’imagerie sera réalisée grâce à une collaboration avec l’Université de Tokyo au laboratoire du Professeur K. Soga équipé d’un détecteur InGaS. Les oxydes et oxysulfures (MxOySz) multicationiques constituent une famille de matériaux d’intérêt indéniable pour de nombreuses applications pour l’environnement (photocatalyse, stockage d’énergie, conversion électrochimique). Deux projets phares qui déboucheront sur de nouvelles familles de matériaux, entrent dans le domaine de compétence du LCMCP et de l’INSP :
    1. la synthèse de nouvelles nanoparticules d’oxysulfures mono- et multi-cationiques dont les propriétés électroniques (magnétiques) mettront en lumière les éventuels écarts entre les structures cristallines idéales et les structures complexes obtenues, tels leurs caractères non-stoechiométrique ou à valence mixte3-4.
    2. la synthèse de nanostructure mixte de composition ajustable ZnxMgO1-x par combustion ou CVD qui permet de moduler les propriétés de surface, en jouant sur la cristallographie des facettes, le rapport surface/volume et les défauts physiques de nature et densité connues (marches, coins). Ces assemblages dont la réactivité vis-à-vis de l’eau et de l’hydrogène est exacerbée sont très prometteurs au regard de leur caractère anti-bactérien5-6.
      Actuellement, pour tous ces matériaux, la composition est essentiellement mesurée par des méthodes dérivées de la spectrométrie à plasma induit (ICP) ou par spectroscopie de fluorescence X à dispersion d’énergie (EDX) au sein d’un microscope électronique à balayage. Cette dernière technique, bien que proche de la WDXRF, offre pourtant un rapport signal-sur-bruit plus faible, une précision inférieure, et une résolution énergétique plus faible. Ainsi, les raies K du soufre et M du bismuth se superposent en EDX, rendant difficile l’analyse quantitative d’oxysulfures à base de bismuth. De même, dans le cas des matériaux hybrides, ces techniques ne permettent pas de quantifier directement la proportion d’organique par rapport à l’inorganique.
  2. Matériaux contenant du bore. LCMCP, IMPMC.
    Axes MATISSE 2 et 5 Le bore représente un cas particulier dans le domaine de l’analyse. Les matériaux riches en bore sont en effet extrêmement inertes chimiquement et souvent durs voire ultradurs, de telle sorte que l’analyse par ICP de cet élément léger est souvent impossible. Le LCMCP et l’IMPMC sont pionniers dans le développement de matériaux et nanomatériaux à base de bore,7-14 thématique que MATISSE a contribué à initier et développer. Les deux laboratoires ont montré la faisabilité d’obtenir pour la première fois certaines phases à base de bore sous forme de nanoparticules en combinant la chimie en sels fondus inorganiques et la physique des conditions extrêmes de température et de pression (HPHT). L’objectif est maintenant de dépasser l’état de l’art en termes de compositions et structures connues des composés du bore, en utilisant des nanoparticules de bore ou borures alcalins comme précurseurs de transformations HPHT. Les premiers résultats du doctorant financé par une bourse ENS indiquent la faisabilité de l’approche. Néanmoins, si la diffraction des rayons X peut donner accès à la structure cristalline, elle doit être couplée à la connaissance précise de la composition du matériau. Celle-ci est pour le moment évaluée par EDX, technique qui ne satisfait pas toutes les exigences de l’analyse quantitative pour le bore (recouvrement des raies du bore et du carbone en particulier). Il est ainsi urgent que les acteurs de cette recherche aient accès à une technique d’analyse innovante et à la hauteur des enjeux du sujet dans le domaine des matériaux.
    Pour chacun des grands axes décrits ci-dessus, la connaissance de la composition atomique est requise afin de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la formation des composés ainsi que leurs propriétés mécaniques, optiques, magnétiques, de transport ou encore catalytiques. Les techniques d’analyse quantitative les plus courantes reposent sur l’ICP couplée à la spectrométrie de masse (ICP-MS), à la détection par spectrométrie d’émission atomique (ICP-AES) ou d’émission optique (ICP-OES)). La méthode requiert la dissolution de l’échantillon et une calibration préalable pour chaque élément dosé avec plusieurs dilutions. Dans les cas où l’échantillon est précieux ou ne peut pas être dissout comme c’est le cas de matériaux très inertes chimiques (matériaux ultradurs) ou de films supportés, alors une analyse non destructive est nécessaire.
    La spectrométrie Auger, non destructive, est limitée quant à elle à l’analyse de surface. Elle est aussi essentiellement sensible aux éléments légers. Elle n’apporte donc pas une solution aux problèmes d’analyse posés par l’ensemble du consortium. La spectroscopie de fluorescence X à dispersion de longueur d’onde apporte la réponse à ces problèmes. En effet, elle ne nécessite pas de préparation des échantillons destructive et/ou longue et coûteuse et permet de s’affranchir d’erreurs de dissolution multiple. La technique permet d’étudier aussi bien des poudres, des monolithes, que des liquides et des suspensions. La diversité des éléments d’intérêt dans le consortium conduit à considérer l’achat d’un spectromètre équipé de cristaux analyseurs très peu rencontrés dans les configurations installées actuellement, et qui permettent d’étudier des éléments légers, jusqu’au bore. Les cristaux analyseurs jouent un rôle décisif car ils divisent le spectre multifréquentiel en longueurs d’onde spécifiques aux éléments. Cette séparation des signaux est le facteur-clé du succès pour la résolution et la sensibilité hors du commun de l’analyse par WDXRF. Ils sont couplés à un détecteur à scintillation pour la mesure des éléments lourds et à un détecteur proportionnel pour les éléments légers permettant ainsi une résolution et une précision inégalée en matière de spectroscopie X de laboratoire. Deux dispositifs seraient ainsi adaptés : les spectromètres S8 Tiger de Bruker et Zetium de PANalytical. La configuration ainsi prévue surpasse les techniques d’analyse actuellement présentes en Ile de France et en France, limitées à la détection des éléments lourds, en termes de polyvalence et de précision.

18/01/19

Traductions :

    MATISSE en chiffres

    • 4 disciplines : Chimie, Physique, Sciences de la Terre, Patrimoine
    • 400 permanents

    Contact

    Direction

    Florence Babonneau

     

    Administration

    matisse @ upmc.fr

     

    Communication

    Emmanuel Sautjeau

    emmanuel.sautjeau @ sorbonne-universite.fr