Quand une nanoparticule d'or rougit sous la pression
Publié par Adrien le 12/02/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
En combinant des techniques de microscopie laser et de hautes pressions, des physiciens ont mis au point la première méthode expérimentale permettant de mesurer avec précision l'absorption optique d'une nanoparticule individuelle d'or soumise à une forte pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.).

Lors de la réduction d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...) à l'échelle nanométrique, la présence d'interfaces avec l'extérieur et le grand rapport surface-volume des nano-objets rendent leurs propriétés très sensibles aux effets de confinement et à leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...). Dans le domaine optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), cette dépendance peut être utilisée pour ajuster l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) par des nanoparticules métalliques, en contrôlant finement leur environnement, notamment par l'application de pressions élevées.


La méthode d'étude de l'absorption optique d'une nanoparticule individuelle d'or en fonction de la haute pression appliquée (droite) repose sur la combinaison d'un microscope à "modulation spatiale" avec une cellule à enclume de diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le...) miniature (gauche). © ILM (CNRS/Université Lyon 1)

À ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...), seules quelques expériences d'absorption optique ont démontré cette faisabilité sur des "ensembles" de nanoparticules d'or ou d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) insérées dans une cellule à enclume de diamant, un dispositif qui permet d'atteindre des pressions de plusieurs centaines de Gigapascal (comparables à celles au coeur des planètes). Cependant, la compréhension précise de la manière dont les conditions de pression extrêmes modifient les propriétés physiques ne peut être obtenue que par des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) au niveau de la particule "unique", ce qui évite les effets de moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...) parasites qui affectent inévitablement les mesures sur des ensembles.

Effectuer des mesures optiques sur une seule nanoparticule à haute pression est cependant très difficile, car cela nécessite de répondre simultanément aux exigences expérimentales de la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil nu, soit...) optique de nano-objets individuels et de la spectroscopie sous hautes pressions. Des chercheurs et ingénieurs en sciences des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) et optique, de l'Institut lumière matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) à Lyon (ILM, CNRS/Université Lyon 1) ont relevé le défi en focalisant un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...). Pour cela, ils ont minimisé les aberrations induites par le passage à travers le diamant de la cellule. Côté mécanique, la difficulté consistait à déplacer rapidement la position de la nanoparticule à l'intérieur et à l'extérieur du faisceau laser. Grâce à ce dispositif, les chercheurs ont ainsi pu montrer la dépendance à la pression de la "résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations...) plasmon de surface (Les plasmons de surface font partie des solutions des équations de propagation des ondes électromagnétiques ou équations de Maxwell, ce sont des solutions particulières à l'interface...)" de nanoparticules métalliques. Cette résonance correspond à une brutale augmentation de l'absorption à des longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) spécifiques, qui confère aux nanoparticules métalliques une coloration inhabituelle dépendante de leur forme, taille, et environnement. Les mesures des spectres d'absorption de nano-bipyramides d'or uniques montrent que leur résonance plasmonique se décale nettement vers les grandes longueurs d'onde (voir image), lorsque la pression augmente de 0 à 10 GPa. Cette évolution a pu être interprétée à la fois par des simulations électromagnétiques et par un modèle analytique simplifié. Contrairement aux précédentes expériences à haute pression, cette analyse dévoile les phénomènes physiques à l'origine de cette réponse: elle permet de séparer quantitativement les contributions diélectriques du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux...) et de l'environnement au décalage spectral induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par la pression, démontrant leur importance respective.

Ces travaux établissent un pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette séparation. Le franchissement supporte le passage d'hommes et de...) entre les domaines de la nano-optique et de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans...) des hautes pressions, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour l'étude quantitative de la réponse physique de nano-objets individuels sous contraintes mécaniques. De plus, les propriétés optiques et électroniques étant fortement corrélées, le système est également adapté pour étudier la conductivité des nanotubes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), de systèmes à base de fullerène et des matériaux bidimensionnels en fonction de la pression, avec des applications potentielles dans de nombreux secteurs industriels. Ce travail est publié dans la revue ACS Nano.
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