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Microscopie hyperspectrale pour l'analyse de nano‐objets uniques en lien avec de nouvelles approches pédagogiques de projets tutorés.

Fiche technique

  • Intitulé : Microscopie hyperspectrale pour l'analyse de nano‐objets uniques en lien avec de nouvelles approches pédagogiques de projets tutorés.
  • Thème : Axe 2, Matériaux multifonctionnels et environnement
  • Financement :
    • MATISSE : 75%
    • Plateforme de physique de Licence : 12,5%
    • programme Form@innov (master Mat‐Nano‐Bio) : 12,5%
  • Responsable scientifique du projet : Olivier Pluchery
    Laboratoire / Equipe : INSP / physico‐chimie et dynamique des surfaces
  • Co-porteurs : 
    • Vincent Dupuis -
      Plateforme expérimentale de physique
  • Localisation : Plateforme expérimentale de physique - Campus de Pierre et Marie curie - Sorbonne Université

Présentation du projet Scientifique

Contexte général Le développement des nanosciences s'est fortement appuyé sur la mise au point de toute une panoplie d'instruments spécifiques, capables d'analyser des nano‐objets individuels : au premier plan l'on peut citer les microscopes électroniques mais ce sont aussi, plus récemment, les microscopes de champ proche tels que le microscope à effet tunnel, les divers microscopes à force atomique. Ces observations ont joué un rôle clef dans les nanosciences car elles ont permis d'analyser les particularités de nanoparticules uniques et non plus des moyennes d'ensemble. Et il se trouve que des propriétés de réactivités, ou de spectroscopie sont très dépendantes de ces singularités (présences de coins ou de facettes, formes non‐géométriques, molécules fonctionnalisantes, etc.). Les microscopes optiques semblaient exclus de cette traque à l'objet unique du fait du critère de Rayleigh qui établit la limite du plus petit objet observable à Lambda/2, soit 300 nm environ.

Cependant très récemment des nouvelles approches en optique ont permis de contourner cette limite, avec des techniques de marquage (fluorescence), des approches multi‐instrumentales (spectrométrie couplée à la microscopie), ou des subtilités de structuration temporelle de l’illumination (spectroscopie PALM, Photoactivated Localization Microscopy). Ces dernières approches ont été couronnées par le prix Nobel de Chimie en 2014 (Betzig, Hell et Mörner).

Cette approche ne vise pas à augmenter le pouvoir de résolution d'un microscope, mais il permet de mesurer un spectre d'un seul de ces nano‐objets et via la signature spectrale d'avoir accès à des caractéristiques uniques. On ajoute ainsi à l'imagerie une dimension spectrale. Pour être plus concret, il est devenu possible de mesurer les spectres de résonance de plasmon LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance) de nanoparticules et interpréter leur modulation en fonction de la forme de la nanoparticule visée et de son environnement chimique, etc. [1, 2]

Le présent projet vise à mettre en oeuvre une telle technique de microscopie hyperspectrale de nano‐objet unique.


Fig. 1. Instrumentation de « microspectroscopie » mis en place par les étudiants de M1 en 2017. La présente demande doit permettre de remplacer le spectro MAYA (emprunté) par un appareil plus sensible et plus stable.

 

Dimension pédagogique

Par ailleurs, l'enseignement s'appuie de plus en plus sur des projets expérimentaux qui aident les étudiants à appliquer leur connaissance à des questions concrètes et par conséquent à mûrir leur savoir. Dans le cadre de ses enseignements en physique à l’UPMC O. Pluchery a encadré de multiples projets expérimentaux du L3 au M2. De même Vincent Dupuis développe une approche similaire et il est notamment responsable de la plateforme expérimentale où les étudiants sont fortement incités à adopter une démarche de projets. Il a également mis en place avec Christian Simon le Fab‐Lab de l’UPMC. Ce sont ainsi plus d'une vingtaine de projets qui sont proposés aux étudiants chaque année, dans cet esprit‐là. D'année en année ces projets évoluent. Les générations d'étudiants améliorent les idées initiales et la présente demande vise à accélérer cette évolution.

 

Résultats préliminaires

Le couplage d'un microscope de TP a déjà été proposé par O. Pluchery en projet expérimental pour des étudiants de M1 et des étudiants de M2 en utilisant des instruments standards : un microscope de TP MOTIC BA 3100 et un spectromètre Maya 2000‐pro (voir fig. 1). Ce dernier a été emprunté à l’INSP pour la durée du projet.


Fig. 2. Mesure préliminaires effectuées en 2017 : spectres d’une assemblée d’environ 10 000 nanoparticules d’or, observée dans une zone de 7 μm de diamètre. En vert : nanoparticules fonctionnalisées par du citrate ; en rouge ces mêmes nanoparticules fonctionnalisées par du dodécanethiol.

Ces essais ont démontré que la matériel utilisé permettait de mesurer au mieux des spectres d'assemblées de 10 000 nanoparticules d'or (particules de diamètre 15 nm en l’occurrence). Cette mesure est déjà en soi une performance (voir Fig. 2), mais l’objectif est de détecter le spectre d'une seule nanoparticule. Pour cela il faut améliorer la qualité optique du microscope et surtout la sensibilité et la stabilité du spectromètre. Un investissement a déjà été effectué par la plateforme expérimentale de physique pour acheter un microscope inversé Olympus pour une somme de 20k€. La présente demande vise donc à compléter cet investissement par un spectromètre disposant d'une sensibilité et stabilité suffisante (voir devis joint)

Résultats attendus

L’objectif premier est de parvenir à mesurer le spectre d'une nanoparticule unique isolée[2]. Pour y parvenir, on utilisera des nanoparticules de plus gros diamètres (~80 nm) et donc plus brillantes. Elles seront dispersées sur une grille lithographiée (pas de 10μm) afin de pouvoir les repérer. Des images AFM préalables sur ces zones de 10μm permettront d’identifier et caractériser la/les particule(s) déposées [3]. Les premières mesures seront effectuées en transmission afin d’avoir accès à la section efficace d’absorption de la particule. Un éclairage en champ sombre sera utilisé pour mesurer également la diffusion [1]. Sur le plan pédagogique l’enjeu est de faire réfléchir des étudiants de M1 ou M2 sur les paramètres instrumentaux indispensables pour accéder à des grandeurs nanométriques : flux de photon, sensibilité, stabilité, dynamique de l’échantillonnage. Ces mesures s’inscriront aussi dans l’enseignement de plasmonique (UE de nano‐optique du master MatMATISSE 2018 ‐ Equipements 5 Nano‐Bio porté par S. Boujday) afin d’illustrer la modification de la résonance de plasmon avec la forme des particules.

Enfin sur un plan de la recherche fondamentale une telle instrumentation permettra de corréler les spectres optiques d’une particule spécifique avec d’autres grandeurs telles que le travail de sortie d’une particule mesurées par KPFM (Kelvin Probe Force Microscopy) [4]. L’enjeu in fine est de comprendre comment contrôle la résonance plasmon par des facteurs ajustables tels qu’une fonctionnalisation par des molécules activables.

  1. M Hu,C. Novo,A. Funston, H. Wang et al. Dark‐field microscopy studies of single metal nanoparticles: understanding the factors that influence the linewidth of the localized surface plasmon resonance J. Mater. Chem., 2008, 18, 1949
  2. AB. Evlyukhin RL. Eriksen, W. Cheng, J Beermann et al., Optical spectroscopy of single Si nanocylinders with magnetic and electric resonances. Nature 2014, 4, 4126
  3. Bossard‐Giannesini, L.; Cruguel, H.; Lacaze, E.; Pluchery, O., Plasmonic properties of gold nanoparticles on silicon substrates: Understanding Fano‐like spectra observed in reflection. Appl. Phys. Lett. 2016, 109, (11), 111901.
  4. Zhang, Y.; Pluchery, O.; Caillard, L.; Lamic‐Humblot, A.‐F.; Casale, S.; Chabal, Y. J.; Salmeron, M., Sensing the Charge State of Single Gold Nanoparticles via Work Function Measurements. Nano Letters 2015, 15, (1), 51‐55. 

 

18/01/19

Traductions :

    MATISSE en chiffres

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

    Contact

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    Administration

    matisse @ upmc.fr

     

    Communication

    Emmanuel Sautjeau

    emmanuel.sautjeau @ sorbonne-universite.fr