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Propri´t´s optiques des nanoparticules
      ee


        Masure Pierre - Brix Nicolas
               PROJET BAC2
      PROMOTEUR: Prof. Wautelet M.

                7 Mai 2007
En quelques mots...

Depuis peu, les nanotechnologies sont en plein essor. Dans ce
contexte, il apparaˆ int´ressant de se familiariser avec cette nou-
                     ıt    e
velle branche des sciences appliqu´es qui ` moyen terme fera par-
                                    e      a
tie int´grante du paysage technologique. Dans cette optique, et
        e
dans le cadre de notre projet de seconde bachelier, nous nous
sommes pench´s dans un premier temps sur les nanotechnolo-
                 e
gies en g´n´ral, puis nous nous sommes concentr´s sur un sujet
          e e                                       e
particulier : les propri´t´s optiques des nanocristaux semiconduc-
                        e e
teurs, th`me qui illustre bien la non-validit´ des lois du monde
          e                                   e
macroscopique appliqu´es au monde nanom´trique. Ce rapport
                          e                    e
pr´sente successivement une introduction g´n´rale sur les nano-
   e                                          e e
technologies, une ´tude th´orique des propri´t´s optiques des na-
                    e        e                e e
noparticules semiconductrices, l’application de ces propri´t´s `
                                                             e e a
l’imagerie biom´dicale, et enfin une partie exp´rimentale. Cette
                  e                               e
derni`re fournit les r´sultats d’une analyse spectrom´trique de
      e                 e                                e
diff´rentes solutions contenant des nanocristaux de sulfure de cad-
    e
mium (CdS).

A travers ces exp´riences, on constate que la couleur d’une so-
                     e
lution de nanoparticules semiconductrices varie avec la taille des
cristaux. Cette propri´t´ d´coule de l’aptitude de ces particules
                        e e e
` absorber la lumi`re en-dessous d’une certaine longueur d’onde
a                     e
fix´e par leur dimension, et ` r´´mettre par fluorescence une
   e                           a ee
lumi`re quasi-monochromatique dont la longueur d’onde corres-
      e
pond au seuil d’absorption. Sous ´clairage UV, on peut donc ob-
                                   e
tenir toute la palette du spectre visible en ajustant la taille des
cristaux.
Cette propri´t´, associ´e ` d’autres comportements int´ressants,
              e e        e a                            e
fait de ces nanosemiconducteurs des fluorophores particuli`rement
                                                          e
bien adapt´s pour des applications allant de l’opto´lectronique `
            e                                       e             a
l’imagerie biom´dicale. On peut notamment les utiliser comme
                  e
marqueurs sp´cifiques pour la localisation de tumeurs et ainsi
                e
faciliter le d´pistage de cancers. A terme, le d´veloppement de
              e                                  e
cette nouvelle technique de marquage biologique permettra d’en
apprendre davantage sur l’organisme humain, rendant possible le
suivi en temps r´el de processus physiologiques in vivo. Sans nul
                   e
doute, ces fluorophores d’un nouveau type rendront de nombreux
services ` la biom´decine de demain.
          a          e




                                1
Table des mati`res
              e

1 Introduction                                                                                                      3
  1.1 Avant-propos . . . . . . . .     .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    3
  1.2 Bref historique . . . . . . .    .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    3
  1.3 Aspect ´conomique . . . . .
              e                        .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    4
  1.4 Top-down versus bottom-up        .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    4
  1.5 Il y a nano et nano . . . . .    .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    4
  1.6 Applications ` venir . . . .
                    a                  .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .    4

2 Etude th´orique des propri´t´s optiques
          e                 e e                                                                                     6

3 Application des nanoparticules ` la biotechnologie
                                        a                                   11
  3.1 Application ` l’imagerie du monde vivant . . . . . . . . . . . 12
                   a
  3.2 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4 Exp´rience : Colorim´trie
      e                   e                                               17
  4.1 Le point de couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
  4.2 Appareillage : le spectrom`tre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
                                 e
  4.3 R´sultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
        e

5 Conclusion                                                                                                       22

Bibliographie                                                                                                      23




                                      2
Chapitre 1

Introduction

1.1     Avant-propos
    Les nanosciences d´signent l’´tude des ph´nom`nes et la manipulation
                       e             e           e     e
des mat´riaux ` l’´chelle nanom´trique. Les nanotechnologies sont les appli-
         e      a e                e
cations d´coulant de ces travaux. Si l’id´e de manipuler la mati`re ` si petite
           e                              e                       e a
´chelle n’est pas nouvelle, elle est aujourd’hui sur le devant de la sc`ne ; une
e                                                                      e
’nanotendance’ g´n´ralis´e s’installe et de larges budgets sont consacr´s `
                  e e     e                                                 e a
ces recherches. Bien qu’on assiste d’ores et d´j` ` la commercialisation de
                                                 eaa
produits mettant en oeuvre les nanotechnologies, les applications majeures
restent cependant ` venir et ne sont encore pour la plupart que des vues de
                   a
l’esprit. Constituant donc un secteur tr`s prometteur, les nanotechnologies
                                           e
conduiront tr`s certainement ` de nombreuses avanc´es technologiques, et ce
              e                 a                      e
dans tous les domaines. De nombreux scientifiques sont tr`s enthousiastes `
                                                             e                 a
propos des nanotechnologies et les voient comme une r´volution en devenir
                                                           e
dont l’impact sur notre quotidien sera bien visible d’ici quelques ann´es, si
                                                                         e
toutefois l’on peut parler de visible ` des dimensions aussi r´duites.[2]
                                       a                        e


1.2     Bref historique
    D`s 1959, cette id´e de manipuler la mati`re atome par atome voit le
      e                e                        e
jour. En 1981, le microscope a effet tunnel permet de visualiser ces atomes et
                              `
en 1990, un chercheur d’IBM s’en sert pour ´crire les 3 initiales de la firme en
                                             e
disposant des atomes un par un. Entretemps, en 1985, les c´l`bres fuller`nes
                                                              ee            e
(C60 ) ont ´t´ d´couverts et en 1991, les nanotubes de carbone entrent ` leur
           ee e                                                           a
tour dans l’histoire. Depuis lors, dans le monde entier, des programmes de
recherche ont ´t´ lanc´s et dans tous les domaines, des avanc´es prometteuses
               ee     e                                       e
sont annonc´es.
             e




                                       3
1.3     Aspect ´conomique
               e
   Bien que le -pourtant r´cent- march´ des nanotechnologies soit d´j` im-
                           e            e                            ea
portant, on en attend surtout une croissance tr`s rapide dans les prochaines
                                               e
ann´es. Bien plus rapide, par exemple, que le march´ de l’informatique.
   e                                                    e
Aujourd’hui, on compte 1500 entreprises dans le monde effectuant des re-
cherches sur les nanotechnologies. La R´gion Wallonne s’implique elle aussi,
                                       e
pour un effectif de 400 chercheurs et un budget de 35 millions d’euros.


1.4     Top-down versus bottom-up
    Jusqu’ici, la technologie a privil´gi´ l’approche top-down, celle de la mi-
                                      e e
niaturisation progressive ; qui part des grandes dimensions et s’attache ` les
                                                                           a
r´duire le plus possible. Cette approche n’est plus possible ` l’´chelle du
 e                                                                a e
nanom`tre. En effet, ` ces dimensions, les lois de la physique classique ne
         e              a
sont plus applicables, plus pr´cis´ment ` cause du nombre restreint de par-
                                e e        a
ticules et donc de la primaut´ des propri´t´s surfaciques sur les propri´t´s
                                e            ee                             ee
volumiques. Il faut donc partir du bas, de l’atome, pour remonter ` l’´chelle
                                                                     a e
des nanoparticules : c’est l’approche bottom-up. On fait pour cela appel `    a
la physique quantique, qui n´cessite de tr`s longs calculs d`s que le nombre
                               e             e                e
d’atomes grandit. C’est vers ce concept qu’on tend d´sormais ` se diriger, et
                                                        e        a
c’est ce qui singularise la nanoscience sur les techniques ayant donn´ lieu aux
                                                                     e
avanc´es ant´rieures ; plutˆt que de r´duire les dimensions d’un assemblage
       e      e              o          e
donn´, on construit atome par atome le composant souhait´.
      e                                                        e


1.5     Il y a nano et nano
    Il est important cependant de souligner que toutes les applications com-
merciales actuelles des nanotechnologies sont issues de l’approche top-down.
De plus, la plupart des produits labellis´s nano ne sont en r´alit´ que des
                                          e                     e e
am´liorations de propri´t´s de produits existants. On peut ainsi citer le ren-
   e                    ee
forcement de raquettes ou de cadres de v´lo par des nanotubes de carbone,
                                           e
l’apparition de tissus et de verres autonettoyants, l’intensification de l’effet
d’un cr`me de soins, etc.
        e


1.6     Applications ` venir
                     a
    Des plus imminentes aux plus futuristes, voici une pr´sentation suc-
                                                              e
cincte des principales applications des nanotechnologies, lesquelles viendront
a
` moyen et long terme prendre une place importante dans notre quotidien.

Verres isolants En disposant sur une vitre une couche nanom´trique    e
d’´paisseur telle qu’elle laisse passer le spectre visible mais bloque les in-
  e

                                      4
frarouges, on obtient un verre isolant, beaucoup plus efficace que le double
vitrage conventionnel.

Mat´riaux autonettoyants Si on structure la surface d’un mat´riau de
      e                                                                  e
telle sorte que celle-ci soit constitu´e d’un r´seau de nanopiliers, le mat´riau
                                      e        e                             e
r´sultant est autonettoyant ; c’est l’effet lotus. L’eau et les poussi`res glissent
 e                                                                   e
sur la surface sans y adh´rer. Cette application est int´ressante pour les
                              e                               e
pare-brises de voiture, rendant inutiles les essuie-glaces.

Nano-´lectronique La miniaturisation constante des composants infor-
        e
matiques a permis jusqu’ici de doubler le nombre de transistors d’une puce
en un an et demi ` deux ans, et ce depuis 1970. Cela implique ´videmment
                   a                                               e
de diminuer la taille de ces transistors, processus ayant une limite technique.
La nano-´lectronique con¸oit et fabrique des mol´cules jouant ` elles seules
          e                c                        e             a
le rˆle de composants ´lectroniques. Une autre approche consid`re les pro-
    o                   e                                           e
pri´t´s ´lectroniques particuli`res de nanoparticules. Le d´fi est cependant
   ee e                         e                            e
ardu et la r´alisation technologique devra encore attendre.
            e

L’ascenseur spatial L’ascenseur spatial, c´l`bre fantasme de nombreux
                                                ee
scientifiques, devrait ˆtre constitu´ d’un cˆble de 36000 km fait d’un mat´riau
                      e            e       a                             e
aussi extrˆmement r´sistant qu’extrˆmement l´ger. Les nanotubes de car-
          e           e                e          e
bone pourraient r´pondre ` ces attentes.
                  e         a

Secteur biom´dical Les nanoparticules magn´tiques sont d´tectables par
                 e                                  e            e
IRM. Si on leur adjoint certaines mol´cules biologiques sp´cifiques (= cap-
                                          e                  e
teurs) et qu’on les injecte dans le sang d’un patient, ces nanoparticules
vont se fixer sur les cellules d´sir´es, en fonction du capteur choisi. On peut
                                e e
ainsi localiser des tumeurs. Mais on peut aller plus loin : en soumettant les
nanoparticules magn´tiques (fix´es ` des cellules canc´reuses) ` une onde
                       e           e a                    e        a
´lectromagn´tique, ces derni`res vont bouger et chauffer, et quelques degr´s
e              e               e                                            e
suffisent pour tuer la cellule, qui disparaˆ Une approche diff´rente consiste
                                            ıt.                 e
a
` encapsuler un principe actif dans une nanoparticule creuse (par ex. du C60 )
et ` lui adjoindre des mol´cules servant de capteurs. Une fois au contact de
   a                        e
la cellule, la nanoparticule, munie d’une enveloppe similaire ` une membrane
                                                              a
cellulaire, fusionne avec celle-ci et d´livre le m´dicament.
                                       e          e

Jouer ` Dieu ? En 1986, dans son livre ’Engins de cr´ation’, Eric Drexler
        a                                               e
lance l’id´e de nanorobots capables de reconstituer n’importe quelle struc-
          e
ture (de la mol´cule ` la voiture) simplement en assemblant les atomes
                 e    a
requis. Ce concept passionne et effraie. Quoi qu’il en soit, et mˆme si c’est
                                                                e
dans cette direction que l’on va actuellement, litt´ralement jongler avec les
                                                   e
atomes n’est ni pour demain ni pour apr`s-demain. La discussion reste donc
                                         e
ouverte.[3]


                                        5
Chapitre 2

Etude th´orique des
         e
propri´t´s optiques
      e e

Les nanocristaux de semiconducteurs, aussi appel´s Quantum Dots
                                                    e
(points ou boˆ ıtes quantiques) illustrent les progr`s spectaculaires
                                                    e
r´alis´s dans la synth`se des nanomat´riaux. Leurs propri´t´s phy-
 e     e              e                 e                   e e
siques particuli`res, interm´diaires entre celles des mondes ato-
                 e           e
mique et macroscopique, sont domin´es par des effets de confine-
                                        e
ment quantique des porteurs de charge et d´pendent crucialement
                                              e
de leur taille qui peut ˆtre ajust´e entre 2 et 10 nm. Eclair´s en
                         e          e                           e
ultraviolet, ces nanocristaux ´mettent de la lumi`re dont la cou-
                               e                     e
leur varie en fonction de leur taille. Il devient ainsi possible de
fabriquer toute la palette des couleurs. Dot´s de cette propri´t´,
                                               e                  e e
les nanocristaux de semiconducteurs peuvent par exemple ˆtre uti-
                                                             e
lis´s comme marqueurs luminescents de syst`mes biologiques pour
   e                                           e
suivre l’´volution de processus divers dans les cellules vivantes, ou
         e
encore comme marqueurs d’objets et de produits commerciaux.[1]


Les nanocristaux doivent leurs propri´t´s optiques particuli`res `
                                               e e                       e    a
la nature semiconductrice de leurs composants associ´e ` la taille
                                                                 e a
nanom´trique de leur coeur. Un semiconducteur (non dop´) pr´sente
         e                                                          e     e
une bande de valence, pleine, et une bande de conduction, vide, s´par´es par
                                                                    e e
une bande interdite, le gap, de largeur Eg .
    Il est possible de transf´rer un ´lectron de la bande de valence ` la bande
                             e       e                               a
de conduction et ainsi de cr´er un trou dans la bande de valence. Dans toute
                              e
structure semiconductrice (massive ou nanom´trique), l’absorption d’un ou
                                                  e
plusieurs photons est susceptible de cr´er des paires ´lectrons trous, com-
                                           e             e
mun´ment appel´es excitons1 . Dans le cas d’un semiconducteur massif, la
     e             e
   1
   paire ´lectron-trou :paire de porteurs non li´s ` un atome et donc aptes ` se d´placer
          e                                     e a                         a     e
dans l’ensemble du cristal o` ils sont apparus et dont l’un est n´gatif(´lectron dans la
                             u                                    e     e


                                           6
Fig. 2.1 – (a) Nanocristal de CdSe (Quantum Dot). (b) Gap ´lectronique
                                                          e


coh´sion des excitons est uniquement due ` l’interaction coulombienne. L’ex-
    e                                       a
citon a donc une ´nergie inf´rieure au gap du semiconducteur massif. Ceci
                    e          e
est dˆ au fait que l’exciton ne poss`de pas une ´nergie suffisante pour pas-
      u                               e            e
ser dans la bande de conduction, il se situe par cons´quent dans la bande
                                                          e
interdite.
La fluorescence correspond ` la recombinaison radiative d’un exciton par
                               a
´mission d’un photon d’´nergie ´gale ` la diff´rence d’´nergie entre l’´tat
e                          e        e     a       e         e              e
excit´ et l’´tat fondamental. L’exc`s d’´nergie hνexc − hνf luo est evacu´
      e     e                          e    e                                 e
sous forme de chaleur. La fluorescence est donc d’autant plus probable que
la temp´rature est faible. Du fait que l’´nergie excitonique pour un semi-
        e                                   e
conducteur massif est inf´rieure ` l’´nergie du gap, ce dernier ne peut ´mettre
                          e        a e                                  e
par fluorescence.
Par ailleurs, l’´lectron et le trou constituent un syst`me hydrog´no¨ dont
                e                                       e           e ıde
le rayon de Bohr est donn´ par :
                             e
                                               me
                                    aexc = ǫ      a0
                                               m∗
o` me , ǫ, a0 sont respectivement la masse de l’´lectron, la permittivit´ du se-
  u                                             e                       e
miconducteur massif et le rayon de Bohr de l’atome d’hydrog`ne.[7] La masse
                                                               e
                                               m∗ m∗
r´duite de l’exciton est donn´e par m∗ = m∗e h∗ o` m∗ et m∗ d´signent
 e                             e                        u e        h e
                                                e +mh
les masses r´duites respectives de l’´lectron et du trou. Le rayon de Bohr
              e                       e
d´pend du semiconducteur consid´r´. Pour le s´l´niure de cadmium CdSe
  e                                 ee             ee
par exemple, ce rayon de Bohr est ´gal ` 5,6 nm. Le rayon du coeur de CdSe
                                    e   a
des nanocristaux est compris entre 1 et 5 nm. Il est donc plus petit que le
rayon de Bohr : on parlera alors de confinement fort des porteurs de charge.
Dans un semiconducteur de taille nanom´trique, le confinement des paires
                                           e
´lectron-trou est donc dˆ aux dimensions r´duites du nanocristal. Cet effet
e                         u                  e
se traduit par une ´nergie de confinement ∝ 1/a2 qui s’ajoute au potentiel
                     e
attractif coulombien ∝ 1/a. En fonction des dimensions, on distingue donc
deux r´gimes de confinement :
       e
    – Le r´gime de confinement faible pour a > aexc , : l’effet liant de l’in-
            e
      teraction coulombienne domine l’effet du confinement quantique qui
bande de conduction) et l’autre positif(absence d’´lectron dans la bande de valence).
                                                  e


                                           7
peut ˆtre trait´ comme un perturbation. Ce r´gime est observ´ dans
             e        e                             e                e
      la plupart des boˆ quantiques ´pitaxi´es2 .
                         ıtes            e     e
   – Le r´gime de confinement fort pour a < aexc , o` l’effet du confine-
           e                                            u
      ment quantique est pr´pond´rant. L’interaction coulombienne n’est
                              e      e
      alors trait´e que comme une correction. Le confinement fort se traduit
                 e
      par l’apparition de niveaux d’´nergie excitoniques discrets situ´s en
                                       e                               e
      bas de la bande de conduction (niveaux ´lectroniques) et au sommet
                                                 e
      de la bande de valence (niveaux de trous).
Contrairement au cas du mat´riau massif, l’´nergie d’un exciton est alors
                                e              e
sup´rieure au gap. L’´nergie des excitons et l’´cart entre niveaux excito-
   e                    e                         e
niques sont d’autant plus importants que la taille du nanocristal est faible.
C’est en particulier le cas des niveaux qui d´terminent le gap. En premi`re
                                             e                           e
approximation, le gap Eg de nanocristaux sph´riques est donn´ par la for-
                                                 e              e
mule :
                                     2π2        1      1   1, 8e2 1
                      solide
                Eg = Eg      +             (        + ∗ )−
                                    2a2        m∗ me mh me
                                                e          4πǫǫ0 a
.
     Dans cette ´quation, le premier terme Eg
                  e                               solide correspond au gap du cris-

tal massif. Le deuxi`me terme en 1/r
                        e                2 dit de confinement quantique est cal-

cul´ dans l’hypoth`se d’un nanocristal sph´rique o` sont confin´s un ´lectron
    e                 e                        e         u              e      e
et un trou de masses effectives3 respectives m∗ et m∗ (sans dimension).
                                                     e       h
   repr´sente le quantum de moment cin´tique. Le dernier terme de l’´quation
       e                                   e                                  e
correspond ` l’attraction coulombienne entre l’´lectron et le trou.
               a                                       e
ǫ est la permittivit´ di´lectrique statique du mat´riau relative ` celle du
                        e e                                e                a
vide ǫ0 , e correspond ` la charge ´lectrique de l’´lectron (-1.602·10−19 C). Ce
                          a        e                   e
ph´nom`ne est d’autant plus marqu´ que le rayon est faible (variation en
    e     e                              e
1/a2 ). Comme constat´ pr´c´demment, l’exciton se d´sexcite au bout d’un
                            e e e                              e
temps de l’ordre de la ps, de mani`re radiative entre les niveaux fondamen-
                                     e
taux de l’´lectron et du trou en ´mettant un photon dit de fluorescence. Ce
            e                     e
photon poss´de la mˆme ´nergie Er de recombinaison entre les niveaux fon-
                e        e   e
damentaux de l’´lectron et du trou associ´, chacun ´tant confin´ dans son
                    e                           e            e             e
puits quantique. Une large plage d’´nergies de gap peut ainsi ˆtre couverte
                                       e                                e
en utilisant diff´rents semiconducteurs. On peut donc couvrir une gamme
                   e
spectrale relativement large allant du proche infrarouge au proche ultravio-
let. Cette d´sexcitation radiative ou recombinaison, est caract´ris´e par une
               e                                                       e e
´nergie de recombinaison sup´rieure ` l’´nergie du gap Eg du cristal macro-
e                               e        a e
scopique, le photon ´mis a une ´nergie ´gale ` la diff´rence d’´nergie entre
                         e        e          e       a         e         e
l’´tat excit´ et l’´tat fondamental : E = hν = Eg + Ef ond
  e           e     e                                          cond + E val . De plus,
                                                                       f ond
    2
      L’´pitaxie est une technique de croissance orient´e, l’un par rapport ` l’autre, de deux
        e                                              e                    a
cristaux poss´dant un certain nombre d’´l´ments de sym´trie communs dans leurs r´seaux
               e                           ee               e                           e
cristallins.
    3
      La masse effective est un facteur correctif ` appliquer ` la masse de l’´lectron libre
                                                  a             a                e
pour tenir compte de la courbure des bandes de valence et de conduction au voisinage du
gap d’´nergie.
        e


                                                8
l’´cart d’´nergie Er entre les niveaux fondamentaux augmente lorsque la
  e           e
longueur caract´ristique de la ”boˆ quantique” diminue. Ainsi, les photons
                      e                      ıte
´mis poss`dent une ´nergie plus grande lorsque le rayon du cristal diminue.
e             e             e
Comme E = hν = hc , la longueur d’onde ´mise diminue avec le rayon.
                               λ                            e
Cette ´nergie de recombinaison ´tant invariable pour les photons ´mis, il
          e                                 e                                            e
est ´vident que le spectre d’´mission de fluorescence des nanocristaux se
      e                                e
compose d’un seul pic tr`s ´troit et ce, ind´pendamment de l’´nergie Ee
                                   e e                     e                         e
d’excitation.
La position du pic d´pend de l’´nergie de recombinaison. Er d´pendant de
                             e            e                                       e
la taille du cristal, la position du pic varie donc aussi avec la taille de la
particule. Ainsi, plus la particule est petite, plus la longueur d’onde dimi-
nue (d´calage vers le bleu). L’absorption de photons est possible pour des
          e
´nergies sup´rieures ` l’energie de recombinaison. En-dessous d’une longueur
e               e            a
d’onde caract´ristique, le nanocristal absorbera la lumi`re. Le spectre d’ab-
                  e                                                     e
sorption d’une solution de nanocristaux est donc similaire ` celui d’un solide.
                                                                          a
Par contre, son spectre d’´mission sera proche d’une assembl´e d’atomes
                                    e                                              e
identiques, on parle d’ailleurs d’‘atome artificiel’. Le spectre sera centr´ au-              e
tour d’une longueur d’onde proche de la plus petite longueur d’onde d’ab-
sorption. Sa largeur se situe entre 20 et 30 nm. D`s lors, on peut exci-
                                                                      e
ter des nanocristaux de tailles diff´rentes avec une seule longueur d’onde
                                                e
afin d’obtenir des longueurs d’onde d’´mission respectivement diff´rentes.
                                                   e                                     e
Ce r´sultat reste inaccessible aux colorants usuels. Toutefois, lorsque l’on
       e
observe l’´mission collective de QDs, on constate que cette ´mission est dis-
              e                                                              e
tribu´e sur une gamme spectrale tr`s large, typiquement cent mille fois plus
        e                                      e
large que pour un atome ! D’o` cela vient-il ? On se doute que les fluctua-
                                         u
tions de taille de boˆ ` boˆ sont partiellement responsables de ce r´sultat.
                           ıte a ıte                                                     e
Pour confirmer cette hypoth`se et connaˆ les propri´t´s intrins`ques des
                                      e               ıtre              ee             e
boˆ quantiques, il faut isoler et ´tudier une boˆ quantique unique.
    ıtes                                      e                  ıte
Partant d’un plan de boˆ          ıtes quantiques, on va graver celui-ci de fa¸on `         c    a
d´finir des plots, dont la taille est de l’ordre de 100 nanom`tres, et qui
  e                                                                               e
ne contiennent que quelques boˆ              ıtes, voire une seule boˆ      ıte. Lorsque l’on
r´alise cette exp´rience, on peut observer un spectre d’´mission constitu´
 e                      e                                                 e                      e
de quelques raies spectrales tr`s fines, qui correspondent chacune ` une
                                          e                                                 a
boˆ quantique sp´cifique (voir la figure 2.2). Ce comportement, observ´
    ıte                    e                                                                     e
a
` basse temp´rature (T < 10K), est bien conforme ` ce qu’on attend pour
                  e                                                  a
cet ”atome artificiel” que constitue chaque boˆ quantique. On peut r´aliser
                                                           ıte                             e
de mˆme des exp´riences d’absorption sur des boˆ quantiques isol´es. De
        e                e                                       ıtes                    e
mˆme que l’´tude des raies d’absorption associ´es au milieu interstellaire
   e             e                                             e
renseigne l’astronome sur la composition de celui-ci, cette exp´rience per-        e
met d’observer des raies d’absorption tr`s fines pour les boˆ quantiques,
                                                     e                        ıtes
de sonder les ´tats excit´s de l’´lectron confin´, et de mieux connaˆ
                    e             e        e                  e                            ıtre la
forme et les dimensions de la boˆ ´tudi´e. ıte e     e
Une boˆ quantique ´met donc ` basse temp´rature, comme un atome,
            ıte                 e             a                e
un rayonnement de tr`s faible largeur spectrale. Malheureusement, on perd
                               e

                                                9
Fig. 2.2 – Spectre d’´mission mesur´ ` basse temp´rature (10 K) pour un
                      e               ea              e
ensemble de boˆ quantiques (` gauche) et pour une boˆ quantique isol´e,
               ıtes             a                         ıte               e
a
` droite. On notera que l’´chelle des ´nergies est environ 100 fois plus petite
                          e           e
pour le spectre de la boˆ unique.
                        ıte


cette propri´t´ tr`s s´duisante d`s qu’on d´passe une temp´rature sup´rieure
            ee e e               e         e                 e          e
a
` une centaine de Kelvin. A temp´rature ambiante (300 K), la raie d’´mission
                                  e                                   e
observ´e pour une boˆ unique est voisine de 10 meV (soit environ kT /2),
        e              ıte
ce qui est comparable ` la largeur de raie observ´e pour un puits quantique.
                        a                          e
On est donc ici tr`s loin de l’image de l’atome artificiel. Plus on ´l`ve la
                    e                                                  ee
temp´rature, plus les vibrations des atomes constituant le cristal semicon-
      e
ducteur sont importantes. Ces vibrations cristallines viennent perturber le
syst`me ´lectronique et de ce fait ´largissent l’´mission associ´e ` une boˆ
    e     e                         e            e               e a       ıte
unique. Ce r´sultat, qui n’a ´t´ d´couvert que relativement r´cemment, nous
             e               ee e                              e
montre donc que l’image de l’atome artificiel isol´ n’est pas du tout valide `
                                                    e                        a
haute temp´rature. Les QDs sont par cons´quent fortement coupl´s ` leur
            e                                e                        e a
environnement. Au-del` de son importance conceptuelle, ce r´sultat remet en
                        a                                      e
question certaines applications envisag´es pour les boˆ quantiques telles
                                         e               ıtes
que les applications dans le domaine des lasers.[5]




                                      10
Chapitre 3

Application des
nanoparticules ` la
               a
biotechnologie

La biotechnolgie, connue pour ses applications m´dicales et agri-
                                                              e
coles, se concentre de plus en plus sur l’´laboration de mat´riaux
                                                 e                       e
innovants et de machines biologiques aux fonctions, structures et
destinations d’une ´tonnante diversit´, et l’av`nement de la nano-
                        e                     e          e
technologie est venu acc´l´rer cette tendance. En imitant la nature,
                                 ee
les chercheurs con¸oivent des structures mol´culaires radicalement nouvelles
                    c                          e
qui peuvent servir de base a la production de nouveaux mat´riaux et de
                                  `                               e
machines mol´culaires sophistiqu´es. Les biologistes sp´cialistes de la nano-
                e                     e                    e
technologie ont commenc´ ` exploiter les possibilit´s d’autoassemblage des
                             ea                        e
mol´cules comme instrument de fabrication de nouvelles nanostructures bio-
     e
logiques telles que les nanotubes pour le coulage de m´taux, les nanov´sicules
                                                        e                e
pour l’encapsulation de m´dicaments et les r´seaux de nanofibres pour la
                                e                e
r´g´n´rescence tissulaire. Ces biologistes sont en train de mettre au point
 e e e
toutes sortes de nanoparticules et de nanodispositifs d’` peine quelques mil-
                                                           a
limicrom`tres de diam`tre, lesquels sont destin´s ` am´liorer le d´pistage
          e               e                         e a      e          e
de cancers, ` stimuler la r´ponse immunitaire et ` bloquer l’ath´roscl´rose.
              a                e                     a              e      e
Une meilleure compr´hension de ces ph´nom`nes pourrait permettre, un
                        e                   e     e
jour, de r´parer divers organes ou de rajeunir la peau, d’accroˆ
            e                                                       ıtre les ca-
pacit´s humaines, bref, de r´aliser divers accomplissements consid´r´s au-
       e                          e                                     ee
jourd’hui comme impossibles. L’incorporation de mat´riel biologique aux
                                                            e
nanoparticules de semiconducteur ainsi qu’aux nanoparticules m´talliques
                                                                      e
´largit de mani`re consid´rable le domaine d’activit´ li´ ` la biophotonique,
e                 e          e                         e ea
notamment dans le secteur de l’imagerie optique, des biotraceurs et de la
th´rapeutique. Comme vous pouvez l’imaginer, certaines retomb´es techno-
   e                                                                e
logiques sont principalement li´es ` l’objet de cette ´tude. La similitude en
                                    e a                  e
taille entre les nanomat´riaux et les biomol´cules courantes rendent ces na-
                           e                   e


                                      11
nostructures particuli`rement int´ressantes pour le tra¸age intracellulaire et
                      e           e                    c
id´ales pour la combinaison biologique. La suite de cette partie pr´sentera
  e                                                                  e
quelques exemples de nanostructures ayant ´t´ int´gr´s avec succ`s dans
                                               ee    e e              e
des probl`mes li´s ` la biotechnologie. Nous focaliserons ce travail sur les
          e       e a
nanoparticules de semiconducteur, mais des informations concernant les ap-
plications biom´dicales de nanoparticules m´talliques et magn´tiques pour-
                e                            e                 e
ront ˆtre trouv´es ailleurs[8]. Nous d´crirons l’usage des QDs en tant que
     e          e                     e
marqueurs fluorescents dans l’imagerie biom´dicale. Un exemple de nano-
                                               e
particules m´talliques sera aussi pr´sent´ afin de pouvoir le comparer aux
             e                      e    e
nanoparticules de semiconducteurs dans les applications biologiques.


3.1      Application ` l’imagerie du monde vivant
                     a
Comme on l’a d´crit pr´c´demment, la taille nanom´trique des
                   e        e e                                e
quantum dots implique le confinement quantique des porteurs de
charge. Pour rappel, les particules se pr´sentent d`s lors comme
                                              e            e
des sources de lumi`re de longueur d’onde accordable, tr`s brillantes,
                     e                                          e
photostables. Elles pr´sentent de plus un spectre d’´mission tr`s
                        e                                    e           e
´troit(25-35 nm). Ces particules d´passent donc de loin les pos-
e                                      e
sibilit´s des fluorophores organiques actuels. Ce spectre tr`s ´troit
       e                                                           e e
permet la d´tection simultan´e de plusieurs fluorophores par excitation lu-
            e                e
mineuse avec une source de lumi`re unique. La dur´e de vie de la photolumi-
                                e                e




                       Fig. 3.1 – Marquage de fibroblastes

nescence est par ailleurs relativement longue (20-50 ns), ce qui nous permet
l’imagerie de cellules vivantes sans interf´rer avec l’autofluorescence de fond.
                                            e
La stabilit´ face au photoblanchiment1 et le large rapport surface sur vo-
           e
lume rendent les QDs sup´rieurs aux fluorophores actuels, ceci aussi bien
                              e
sur le plan de la sensibilit´ de la d´tection que sur l’analyse ` long terme des
                            e        e                          a
processus biologiques. Nous pr´sentons dans ce qui suit quelques exemples
                                  e
d’applications de ces fluorophores en tant que marqueurs biologiques.
   1
     Perte de fluorescence d’une mol´cule. La mol´cule ` l’´tat excit´ peut soit ´mettre un
                                   e            e     a e           e           e
photon, soit ˆtre engag´e dans une r´action photochimique qui va empˆcher son retour `
             e         e            e                                   e                a
un ´tat excitable.[7]
   e


                                           12
La premi`re application des QDs en tant que marqueurs dans l’imagerie
            e
biologique fut r´alis´e par le groupe Alivistos qui a r´ussi l’authentification
                   e e                                       e
multicouleur de fibroblastes 3T3 sur des souris(3.1). Du fait que les particules
de CdSe/ZnS sont insolubles dans les solvants polaires et toxiques, une co-
quille de silicium a ´t´ intentionnellement fix´e sur les nanocristaux. Puisque
                         ee                         e
les processus biologiques se d´roulent dans un environnement aqueux, il est
                                     e
n´cessaire de rendre hydrophile la surface des QDs. Cette coquille est par
  e
ailleurs recouverte de ligands : Ces mol´cules, souvent de nature organique,
                                              e
servent ` faire le pont entre l’environnement aqueux et les nanoparticules
          a
tout en maintenant leurs propri´t´s de fluorescence et en contenant des
                                         ee
groupes r´actifs pour leur fonctionnalisation ult´rieure.
            e                                            e
Une autre m´thode est celle utilis´e par le groupe Alivistos, m´thode four-
                e                        e                            e
nissant les meilleurs r´sultats. Dans cette approche de solubilisation, r´alis´e
                            e                                               e e
avec des polym`res (Qdots Corp., Etats-Unis), on conserve les ligands hy-
                   e
drophobes de surface et on rajoute des mol´cules amphiphiles. La partie
                                                      e
hydrophobe de ces mol´cules vient se lier aux ligands tandis que la partie
                               e
hydrophile est expos´e au solvant.
                           e
Le couplage ult´rieur des nanocristaux solubilis´s ` des mol´cules biolo-
                     e                                     e a        e
giques fait intervenir l’arsenal (3.2) des techniques de bioconjugaison2 . La
premi`re m´thode de biofonctionnalisation concerne l’´change du ligand3
       e      e                                                 e
d’origine par des tensio-actifs bifonctionnels comportant une extr´mit´ hy-
                                                                          e   e
drophile et une extr´mit´ capable de se lier ` une coquille ZnS. Les thiols
                           e     e                    a
(-SH) sont les groupements les plus utilis´s et les groupes carboxyliques (-
                                                 e
COOH) sont ` la fois hydrophiles et aptes ` assurer une liaison amide avec
                 a                                 a
les goupes −N H2 des prot´ines. La deuxi`me voie, la silanisation, permet
                                   e              e
l’enrobage des QDs par une couche de silane qui les stabilise grandement. La
troisi`me voie concerne la biotinylation des QDs. C’est une biofonctionna-
      e
lisation tr`s versatile qui permet de lier la nanoparticule conjugu´e biotine
            e                                                             e
a
` toute biomol´cule conjugu´e biotine ou avidine par le biais du couplage
                   e                 e
biotine/avidine.
     Des QDs biotinyl´s, de photoluminescence rouge, se sont s´lectivement
                            e                                         e
attach´s aux filaments du cytosquelette modifi´ par de la streptavidine. Des
        e                                              e
QDs ´mettant dans le vert coupl´s ` de l’ur´e et ` des ´l´ments du groupe des
      e                                e a       e      a    ee
ac´tates ont montr´ une affinit´ particuli`re pour la membrane nucl´ique.
   e                     e             e         e                           e
L’excitation constante de QDs bioactifs pendant plus de 4 heures avec un la-
ser Ar+ a permis une ´mission constante, ceci avec peu de d´p´rissement. Les
                            e                                     e e
QDs auxquels on a fix´ des immuno-mol´cules ont pu d´tecter des anticorps
                             e                 e               e
et antig`nes sp´cifiques. Les ann´es suivantes, l’imagerie de cellules vivantes,
          e       e                    e
ayant ´t´ un succ`s, a accru de mani`re importante la popularit´ de l’usage
        ee             e                    e                           e
   2
     De mani`re g´n´rale, celles-ci consistent ` coupler le groupe r´actif en surface des
             e    e e                          a                     e
nanoparticules ` des groupes amine - NH2, carboxyle - COOH ou mercapto - SH pr´sents
                a                                                                   e
sur la mol´cule biologique (par exemple un anticorps) que l’on souhaite attacher.
          e
   3
     Toute mol´cule pouvant se lier ` une autre, en particulier mol´cule capable de se lier
               e                    a                              e
` un r´cepteur biologique
a      e


                                            13
Fig. 3.2 – Principales voies de biofonctionnalisation des nanoparticules semi-
conductrices de type CdSe/ZnS


de QDs dans les syst`mes biologiques. Par ailleurs, un progr`s impressio-
                       e                                           e
nant en imagerie du cancer a pu ˆtre accompli par l’usage des nanocristaux
                                  e
de semiconducteurs. En 2003, Wu et coll. ont conjugu´ l’immunoglobine G
                                                         e
(IgG) et la streptavidine sur le CdSe avec des spectres d’´mission diff´rents
                                                            e            e
afin de pouvoir identifier le marqueur du cancer du poumon Her2 pr´sent      e
a
` la surface de cellules canc´rig`nes vivantes. Ils ont aussi pu utiliser ces
                              e e
nanoparticules conjugu´es afin de marquer l’actine et les fibres microtubu-
                         e
laires dans le cytoplasme ainsi que la d´tection d’antig`nes nucl´aires dans
                                         e                e          e
le noyau. Le travail de Wu a pour but d’identifier les tumeurs susceptibles
de r´ponse ` la m´dication contre le cancer. La r´cente pouss´e en mati`re
      e      a     e                                 e             e         e
d’´tudes in vivo a pu d´montrer que les QDs sont aussi efficaces dans l’en-
  e                      e
vironnement physiologique que dans les tubes ` essais. Des sondes de QDs
                                                   a
encapsul´es dans un copolym`re4 ont pu ˆtre d´livr´es sur des tumeurs par
          e                    e           e       e e
un m´canisme de tra¸age passif et par un m´canisme actif.
        e             c                        e
Dans le mode passif, les macromol´cules entourant les nanocristaux se sont
                                    e
accumul´es pr´f´rentiellement sur le site de la tumeur grˆce ` une perm´abilit´
          e     ee                                       a a             e      e
augment´e et un effet de r´tention. Dans le d´pistage actif de tumeurs, des
          e                 e                    e
QDs conjugu´s ` des anticorps ont pu cibler de mani`re sp´cifique des an-
               e a                                      e       e
tig`nes particuliers sur la membrane de la tumeur. Des signaux intenses ont
    e
pu ˆtre obtenus par injection intraveineuse de ces sondes anticorps ` une
     e                                                                    a
souris porteuse de tumeurs (3.3). L’avantage de ce proc´d´ r´side dans le
                                                            e e e
fait que le polym`re hydrophile poss`de un nombre important de groupes
                   e                   e
fonctionnels autorisant l’attachement simultan´ d’agents th´rapeutiques et
                                                   e            e
de diagnostic. Ces points multifonctionnels pourraient donc d´pister les tu-
                                                                  e
meurs et d`s lors, une excitation par lumi`re laser pourrait lib´rer les agents
            e                              e                      e
th´rapeutiques de telle sorte que seules les tumeurs recevraient la toxine,
   e
minimisant ainsi les effets secondaires. On a aussi pu d´montrer que les
                                                              e
  4
     Copolym`re : macromol´cule mettant en jeu au moins deux monom`res, li´s par des
              e           e                                       e       e
liaisons covalentes


                                        14
Fig. 3.3 – D´pistage de tumeurs
                                  e


cellules canc´reuses sont invasives et fortement mobiles, ce r´sultat ´tant
               e                                                 e       e
bas´ sur le fait que les cellules canc´reuses englobant les nanoparticules les
     e                                e
rendent inactives. Ces travaux n’ouvrent pas seulement la voie ` l’´tude des
                                                                 a e
m´canismes invasifs des cellules canc´reuses en temps r´el mais permettent
   e                                    e                 e
aussi l’´tude d’une multitude d’autres interactions multicellulaires qui ont
         e
lieu dans les processus de croissance et de d´veloppement chez les animaux.
                                              e
Ceci permet le suivi d’exp´riences de longues dur´e en embryogen`se. La
                              e                      e                 e
demande ´tant forte pour l’imagerie de structures profondes du corps, les
            e
QDs ´mettant dans le proche infrarouge (650-1000 nm) ont le plus d’int´rˆt ;
       e                                                                 ee
c’est en effet la r´gion du spectre o` la transmission de la lumi`re ` travers
                    e                u                            e a
les tissus et le sang est maximale. R´cemment, une avanc´e majeure en ima-
                                      e                     e
gerie du cancer a ´t´ r´alis´e en utilisant une structure coeur/coquille de
                       ee e e
CdTe/CdSe. Ces nanoparticules de CdTe/CdSe ´mettent dans le proche in-
                                                  e
frarouge. Il est toutefois int´ressant de mentionner que l’imagerie de haut
                                e
contraste ou de haute r´solution peut aussi ˆtre obtenue par usage de na-
                           e                    e
noparticules m´talliques. Celles-ci am´liorent la sensibilit´ de l’analyse par
                  e                       e                   e
tomographie opto-acoustique. Cette nouvelle m´thode d’imagerie m´dicale
                                                  e                    e
utilise l’illumination optique et la d´tection ultrasonique afin de produire
                                        e
des images profondes des tissus, ces images ´tant acquises par l’absorption
                                               e
lumineuse. Les exp´riences avec ces particules m´talliques ont permis de
                        e                           e
d´montrer qu’avec une concentration tr`s basse de 109 particules/ml, on
  e                                         e
rend possible la d´tection ` une profondeur de plus de 60 mm dans les tis-
                      e      a
sus. Cette d´tection est impossible en imagerie optique pure.[8]
              e


3.2    Bilan
    Ces exp´riences ont montr´ que les nanocristaux semiconducteurs sont
           e                 e
un outil de choix pour l’imagerie biologique en permettant l’observation
directe du mouvement d’acteurs mol´culaires impliqu´s. En attachant des
                                    e                e


                                     15
sondes de diff´rentes couleurs ` diff´rentes prot´ines, il est d´sormais d´j`
               e                a    e           e             e          ea
possible d’´tudier le mouvement des diff´rents acteurs, d’´tudier leurs inter-
           e                            e                   e
actions in vivo et ainsi de mieux traduire la complexit´ des processus bio-
                                                          e
logiques. Ce n’est sans doute qu’un aspect partiel de l’apport de ces sondes
inorganiques ` l’imagerie biologique. Compos´s de mat´riaux ´mettant dans
              a                               e         e     e
l’infrarouge, des nanocristaux permettront sans doute l’imagerie ultrasen-
sible dans des milieux ´pais tels que des tissus ou des petits animaux. Les
                        e
nanoparticules fluorescentes seront ` l’avenir non seulement des indicateurs
                                    a
de la position mais aussi des sondes de l’environnement chimique local (cfr
d´tection d’agents biologiques de guerre,...). A plus long terme, ils trouve-
  e
ront, peut-ˆtre, un rˆle comme guide fluorescent pour les outils des chirur-
           e          o
giens.




                                     16
Chapitre 4

Exp´rience : Colorim´trie
   e                e

    Dans cette partie sont expos´s nos propres r´sultats, pr´c´d´s d’une br`ve
                                e               e           e e e          e
pr´sentation des notions et outils dont nous avons eu besoin pour notre
  e
analyse.

La caract´risation optique des nanophores se r´alise en 3 ´tapes :
         e                                    e           e

   – Obtention d’un graphique de la transmission en fonction de la longueur
     d’onde pour une solution d’une nanoparticule de taille d´termin´e.
                                                              e       e
   – Conversion des donn´es afin d’obtenir les trois coordonn´es trichroma-
                          e                                 e
     tiques du point de couleur.
   – Obtention de la couleur pour la nanoparticule grˆce au triangle des
                                                        a
     couleurs et v´rification th´orique qualitative.
                  e            e


4.1     Le point de couleur
     Le point de couleur permet de d´crire la couleur de l’´chantillon de fa¸on
                                     e                     e                c
univoque dans un espace ` trois dimensions, g´n´ralement ramen´ ` deux
                            a                     e e                 e a
dimensions comme dans la repr´sentation de la figure (4.1). Pour cela, le
                                  e
spectre d’´mission est successivement multipli´ par trois courbes de sensibi-
           e                                    e
lit´ spectrale (X(λ),Y(λ),Z(λ)), avant d’op´rer une int´gration sur la totalit´
   e                                        e           e                     e
du spectre pour obtenir les grandeurs X, Y et Z. Les fonctions X(λ), Y(λ),
Z(λ) sont d´finies dans une norme cr´´e par la Commission Internationale
             e                         ee
de l’Eclairage. Pour se ramener ` un espace ` deux dimensions, ces r´sultats
                                 a            a                        e
sont norm´s :
           e
                                        X
                               x=
                                    X +Y +Z
                                        Y
                               y=
                                    X +Y +Z
                                 Z
                        z=               = 1 − (x + y)
                             X +Y +Z

                                      17
Le couple (x,y) ainsi calcul´ est caract´ristique de la couleur de l’´chantillon.
                            e           e                            e
On peut alors positionner ce point dans le classique triangle des couleurs o`  u
le blanc parfait a pour coordonn´es (0.33 , 0.33).[6]
                                   e




                   Fig. 4.1 – Diagramme de chromaticit´
                                                      e



4.2     Appareillage : le spectrom`tre
                                  e
   Un spectrom`tre analyse longueur d’onde par longueur d’onde (soit avec
                e
un intervalle de longueurs d’ondes de quelques nanom`tres) l’´nergie lu-
                                                         e        e
mineuse en r´flexion ou en transmission d’un objet. Nous obtenons, apr`s
             e                                                            e
mesure, une courbe spectrale de l’´chantillon sur un intervalle de longueurs
                                   e
d’onde correspondant au spectre visible (en g´n´ral entre 380-780 nm).[9]
                                              e e
   Le spectrom`tre comprend :
                e
   – une source de lumi`re : lumi`re blanche (lumi`re polychromatique) ou
                         e         e               e
     lumi`re UV.
           e
   – un monochromateur form´ d’un r´seau diffractant la lumi`re de la
                                 e       e                          e
     source. Il permet de s´lectionner la longueur d’onde de la lumi`re qui
                            e                                         e
     traversera la solution ` doser.
                            a
   – une cuve transparente dans laquelle on place la solution ` ´tudier. Le
                                                                ae
     solvant utilis´ n’´tant pas toujours transparent, il est obligatoire de
                   e e
     r´aliser un ’blanc’, c’est-`-dire une mise ` z´ro du dispositif, en ne
      e                         a                a e
     pla¸ant que le solvant utilis´ dans la cuve avant la premi`re mesure,
         c                         e                             e
     et ce pour chaque longueur d’onde ´tudi´e.
                                          e    e
   – une cellule photo´lectrique, restituant un courant proportionnel au
                        e
     nombre de photons re¸us.
                            c

                                       18
– un d´tecteur ´lectronique dont la r´ponse est proportionnelle ` ce cou-
         e         e                    e                           a
     rant ´lectrique et permet une mesure relative de l’intensit´ lumineuse.
          e                                                     e




                   Fig. 4.2 – Principe du spectrom`tre.
                                                  e



4.3     R´sultats
         e




      Fig. 4.3 – Spectre de transmission des diff´rentes nanoparticules
                                                e

    Les r´sultats sont expos´s et interpr´t´s de mani`re physique en laissant
          e                 e            ee          e
de cot´ l’aspect rugueux des ´quations. On a analys´ des ´chantillons de na-
       e                      e                     e     e
noparticules de CdS, avec comme seule variable caract´risant les ´chantillons,
                                                       e         e
la taille des nanocristaux pr´sents. Apr`s analyse dans un spectrom`tre,
                               e           e                             e
on obtient le spectre de transmission des nanoparticules. La transmission
est l’inverse de l’absorption/absorbance. C’est un principe ´l´mentaire de
                                                              ee
la conservation de l’´nergie. Comme indiqu´ dans l’´tude th´orique, le gap
                     e                        e      e        e
augmente ` mesure que la taille du cristal d´croˆ On constate que l’absorp-
            a                                e ıt.
tion est maximale pour un faisceau de lumi`re dont la longueur d’onde est
                                              e
faible. A partir d’un certain seuil, ` longueur d’onde croissante, l’intensit´
                                     a                                       e
absorb´e diminue rapidement jusqu’` tendre vers 0, zone o` la transmis-
        e                              a                      u
sion est maximale. La solution de particules est transparente aux longueurs

                                     19
d’onde plus ´l´v´es. Pour une nanoparticule de 5,7 nm l’absorption se fait
             ee e
a
` λ = 483 nm, pour 4,9 nm l’absorption se fait ` λ = 463 nm, pour 3,4 nm
                                                     a
l’absorption se fait ` λ = 422 nm, pour 2,8 nm ` λ = 402 nm et finalement
                      a                              a
pour 2,1 nm ` λ = 392 nm. On constate que le seuil d’absorption est donc
              a
fonction de la taille de la particule : plus la particule devient petite, plus son
seuil d’absorption, caract´ris´ par sa longueur d’onde, diminue. Ceci semble
                            e e
logique : si on consid`re que l’´nergie est invers´ment proportionnelle ` la
                        e         e                   e                       a
longueur d’onde, plus la longueur d’onde est petite, plus l’´nergie associ´e
                                                                 e              e
est importante. Or, on sait ` travers l’analyse th´orique que plus une par-
                               a                        e
ticule est petite, plus son gap est grand et plus importante sera l’´nergiee
n´cessaire afin de le franchir. Consid´rons les deux cas extrˆmes. Soit une
  e                                       e                       e
particule grande (4,9 nm) : son gap (´nergie du gap) est fort ´troit. L’´nergie
                                        e                        e         e
pour le franchir est donc faible. Une lumi`re peut donc le franchir ` longueur
                                               e                       a
d’onde plus ´lev´e (463 nm). A partir d’un seuil correspondant ` l’´nergie
             e e                                                       a e
du gap, le nanocristal absorbe la lumi`re. A contrario, si la particule est
                                              e
petite, son gap sera fort large. Ceci n´cessite une ´nergie plus grande. On
                                            e             e
trouve cette ´nergie pour une longueur d’onde plus faible.
              e
 En-dessous de cette longueur d’onde, l’´nergie sera suffisante pour franchir
                                              e




    Fig. 4.4 – Seuil d’absorption en fonction de la taille du nanocristal.

le gap et toute la lumi`re sera absorb´e.
                       e               e
Les coordonn´es trichromatiques des solutions ont ´t´ obtenues par un petit
              e                                   ee
programme con¸u sous Matlab qui, ` partir des trois courbes de sensibilit´
                c                    a                                     e
et de la courbe exp´rimentale de transimission, calcule le couple (x,y) cor-
                     e
respondant. Couleurs obtenues :

   – nanoparticule de 2,1 nm (abs. indiqu´ : 360 nm ; mesur´ : 392 nm) :
                                         e                 e
     X = 0.3324 Y = 0.3332 (transparent)

                                       20
– nanoparticule de 2,8 nm (abs. indiqu´ : 380 nm ; mesur´ : 402 nm) :
                                                 e                e
       X = 0.3345 Y = 0.3356 (transparent)
    – nanoparticule de 3,4 nm (abs. indiqu´ : 402 nm ; mesur´ : 422 nm) :
                                                 e                e
       X = 0.3391 Y = 0.3449 (jaune l´ger)e
    – nanoparticule de 4,9 nm (abs. indiqu´ : 440 nm ; mesur´ : 463 nm) :
                                                 e                e
       X = 0.4207 Y = 0.4698 (jaune)
    – nanoparticule de 5,7 nm (abs. indiqu´ : 460 nm ; mesur´ : 483 nm) :
                                                 e                e
       X = 0.4593 Y = 0.5009 (jaune vif)
Ces couleurs, qui correspondent ` l’aspect des solutions en lumi`re naturelle,
                                    a                              e
sont bien celles observables ` l’oeil nu.
                              a
Pour ce qui est de la fluorescence, il y a une corr´lation ´troite entre le
                                                         e      e
seuil d’absorption et la longueur d’onde d’´mission. En effet, ´clair´es par un
                                              e                 e       e
rayonnement d’´nergie ´gale ou sup´rieure ` l’´nergie de leur gap ´lectronique,
                 e       e            e        a e                   e
les nanoparticules absorbent int´gralement ce rayonnement et le r´´mettent
                                    e                                   ee
quasi-instantan´ment, ` la longueur d’onde du seuil d’absorption (qui cor-
                 e       a
respond donc ` l’´nergie du gap). Nos ´chantillons de CdS ´mettent par
                a e                          e                    e
fluorescence aux longueurs d’onde suivantes ; respectivement 392, 402, 422,
463 et 483 nm. Ces valeurs se situent dans le bleu et le violet.
A titre de remarque, on peut donner les pr´cisions suivantes quant ` ces der-
                                               e                         a
niers r´sultats. Selon ceux-ci, le spectre de fluorescence de nos nanoparticules
       e
se limite au bleu-violet. On est donc loin des petits flacons aux colorations
arc-en-ciel que l’on peut voir sur les photos. Cela est cependant parfaitement
explicable : les colorations qui couvrent tout le spectre visible sont obtenues
avec des nanoparticules de CdSe et non de CdS. Au contraire de ce dernier,
le s´l´niure de cadmium, pour la mˆme plage de tailles des cristaux, ´met sur
    ee                                e                                   e
une grande partie des longueurs d’onde visibles, cr´ant l’effet spectaculaire
                                                       e
bien connu. Pour obtenir avec du CdS des longueurs d’onde plus ´lev´es, on
                                                                       e e
devrait avoir des particules de plus grande taille. Ces r´sultats sont corro-
                                                            e
bor´s par le site du constructeur des Quantum Dots, Aldrich, qui donne un
    e
tableau d´taill´ des propri´t´s fluorescentes de ses nanoparticules de CdS et
          e     e           ee
de CdSe [voir annexe].




                                     21
Chapitre 5

Conclusion

    S’il est essentiellement descriptif, ce travail nous a offert la possibilit´
                                                                              e
d’appr´hender un th`me ` la pointe du monde de la recherche. La multidis-
        e              e   a
ciplinarit´ de cette nouvelle branche des sciences nous a permis d’aborder
          e
des notions plus avanc´es de chimie, physique et biologie. Bien que le sujet
                         e
de notre travail semble restreint, la multitude des applications envisageables
suscite l’enthousiasme. En effet, les utilisations biom´dicales de cette tech-
                                                         e
nologie nouvelle sont prometteuses et peut-ˆtre un jour deviendront-elles
                                                e
un outil incontournable pour la m´decine. Gu´rir des tumeurs et sauver
                                       e            e
les gens du cancer semble ´videmment tr`s s´duisant, mais seul l’avenir
                              e                e e
nous dira si ces particules sont r´ellement efficaces et surtout, sans danger
                                    e
pour l’homme. Il faut garder ` l’esprit que ces nanocristaux pourraient se
                                a
r´v´ler toxiques. Des organismes de contrˆle ont ´t´ cr´´s pour enquˆter sur
 e e                                        o        e e ee            e
les risques ´ventuels li´s ` l’utilisation de ces substances sur l’homme. Les
             e           e a
nanotechnologies b´n´ficient donc de recherches pouss´es consacr´es ` une
                     e e                                   e         e a
possible non-ad´quation de ces applications m´dicales. Cela est un ´l´ment
                 e                                e                    ee
cl´ pour l’avenir de ce secteur.
  e




                                      22
Bibliographie

[1] BROKMANN X.(ENS), HERMIER J.-P.(JUSSIEU), DESBIOLLES
    P.(ENS), DAHAN M.(ENS), Des nanosources de lumi`re pour l’optique
                                                   e
    et la biologie in IMAGES DE LA PHYSIQUE 2005 (CNRS) ; p. 1,2,7,
    2005.
[2] WAUTELET M. et coll., Les Nanotechnologies ; deuxi`me ´dition ; Col-
                                                      e   e
    lection DUNOD, 2006.
[3] WAUTELET M., Nanotechnologies, M´ga d´fis : fascicule de l’exposi-
                                    e    e
    tion, Avril 2007.
[4] BERCIAUD S., Th`se pr´sent´e ` l’universit´ Bordeaux 1, ´cole docto-
                        e    e     e a            e             e
    rale des sciences physiques et de l’ing´nieur, D´tection photothermique
                                           e        e
    et spectroscopie d’absorption de nano-objets individuels : nanoparti-
    cules m´talliques, nanocristaux semiconducteurs et nanotubes de car-
            e
    bone, D´cembre 2006.
            e
[5] GERARD J.-M., Texte de la 586 `me conf´rence de l’Universit´ de tous
                                  e       e                    e
    les savoirs, Juillet 2005.
[6] HOUDY P., LAMHANI M., BRECHNIGNAC C., Les nanosciences : 2.
    Nanomat´riaux et nanochimie ; Collection ECHELLES, BELIN ; p.606-
             e
    607, Juin 2006.
[7] Wikip´dia, f r.wikipedia.org/wiki/P hotoblanchiment, Avril 2007.
         e
[8] WANG Y., TANG Z.,KOTOV N. A., Bioapplications of semiconductors
    in NANOTODAY ; p. 1-4 ; traduction, Mai 2005.
[9] Wikip´dia, f r.wikipedia.org/wiki/Spectrophotometre Mai 2007.
         e




                                   23
Annexe




         Fig. 5.1 – Donn´es Aldrich
                        e




                    24

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Projet Bac2

  • 1. Propri´t´s optiques des nanoparticules ee Masure Pierre - Brix Nicolas PROJET BAC2 PROMOTEUR: Prof. Wautelet M. 7 Mai 2007
  • 2. En quelques mots... Depuis peu, les nanotechnologies sont en plein essor. Dans ce contexte, il apparaˆ int´ressant de se familiariser avec cette nou- ıt e velle branche des sciences appliqu´es qui ` moyen terme fera par- e a tie int´grante du paysage technologique. Dans cette optique, et e dans le cadre de notre projet de seconde bachelier, nous nous sommes pench´s dans un premier temps sur les nanotechnolo- e gies en g´n´ral, puis nous nous sommes concentr´s sur un sujet e e e particulier : les propri´t´s optiques des nanocristaux semiconduc- e e teurs, th`me qui illustre bien la non-validit´ des lois du monde e e macroscopique appliqu´es au monde nanom´trique. Ce rapport e e pr´sente successivement une introduction g´n´rale sur les nano- e e e technologies, une ´tude th´orique des propri´t´s optiques des na- e e e e noparticules semiconductrices, l’application de ces propri´t´s ` e e a l’imagerie biom´dicale, et enfin une partie exp´rimentale. Cette e e derni`re fournit les r´sultats d’une analyse spectrom´trique de e e e diff´rentes solutions contenant des nanocristaux de sulfure de cad- e mium (CdS). A travers ces exp´riences, on constate que la couleur d’une so- e lution de nanoparticules semiconductrices varie avec la taille des cristaux. Cette propri´t´ d´coule de l’aptitude de ces particules e e e ` absorber la lumi`re en-dessous d’une certaine longueur d’onde a e fix´e par leur dimension, et ` r´´mettre par fluorescence une e a ee lumi`re quasi-monochromatique dont la longueur d’onde corres- e pond au seuil d’absorption. Sous ´clairage UV, on peut donc ob- e tenir toute la palette du spectre visible en ajustant la taille des cristaux. Cette propri´t´, associ´e ` d’autres comportements int´ressants, e e e a e fait de ces nanosemiconducteurs des fluorophores particuli`rement e bien adapt´s pour des applications allant de l’opto´lectronique ` e e a l’imagerie biom´dicale. On peut notamment les utiliser comme e marqueurs sp´cifiques pour la localisation de tumeurs et ainsi e faciliter le d´pistage de cancers. A terme, le d´veloppement de e e cette nouvelle technique de marquage biologique permettra d’en apprendre davantage sur l’organisme humain, rendant possible le suivi en temps r´el de processus physiologiques in vivo. Sans nul e doute, ces fluorophores d’un nouveau type rendront de nombreux services ` la biom´decine de demain. a e 1
  • 3. Table des mati`res e 1 Introduction 3 1.1 Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Bref historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Aspect ´conomique . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Top-down versus bottom-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5 Il y a nano et nano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.6 Applications ` venir . . . . a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Etude th´orique des propri´t´s optiques e e e 6 3 Application des nanoparticules ` la biotechnologie a 11 3.1 Application ` l’imagerie du monde vivant . . . . . . . . . . . 12 a 3.2 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4 Exp´rience : Colorim´trie e e 17 4.1 Le point de couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.2 Appareillage : le spectrom`tre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 e 4.3 R´sultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 e 5 Conclusion 22 Bibliographie 23 2
  • 4. Chapitre 1 Introduction 1.1 Avant-propos Les nanosciences d´signent l’´tude des ph´nom`nes et la manipulation e e e e des mat´riaux ` l’´chelle nanom´trique. Les nanotechnologies sont les appli- e a e e cations d´coulant de ces travaux. Si l’id´e de manipuler la mati`re ` si petite e e e a ´chelle n’est pas nouvelle, elle est aujourd’hui sur le devant de la sc`ne ; une e e ’nanotendance’ g´n´ralis´e s’installe et de larges budgets sont consacr´s ` e e e e a ces recherches. Bien qu’on assiste d’ores et d´j` ` la commercialisation de eaa produits mettant en oeuvre les nanotechnologies, les applications majeures restent cependant ` venir et ne sont encore pour la plupart que des vues de a l’esprit. Constituant donc un secteur tr`s prometteur, les nanotechnologies e conduiront tr`s certainement ` de nombreuses avanc´es technologiques, et ce e a e dans tous les domaines. De nombreux scientifiques sont tr`s enthousiastes ` e a propos des nanotechnologies et les voient comme une r´volution en devenir e dont l’impact sur notre quotidien sera bien visible d’ici quelques ann´es, si e toutefois l’on peut parler de visible ` des dimensions aussi r´duites.[2] a e 1.2 Bref historique D`s 1959, cette id´e de manipuler la mati`re atome par atome voit le e e e jour. En 1981, le microscope a effet tunnel permet de visualiser ces atomes et ` en 1990, un chercheur d’IBM s’en sert pour ´crire les 3 initiales de la firme en e disposant des atomes un par un. Entretemps, en 1985, les c´l`bres fuller`nes ee e (C60 ) ont ´t´ d´couverts et en 1991, les nanotubes de carbone entrent ` leur ee e a tour dans l’histoire. Depuis lors, dans le monde entier, des programmes de recherche ont ´t´ lanc´s et dans tous les domaines, des avanc´es prometteuses ee e e sont annonc´es. e 3
  • 5. 1.3 Aspect ´conomique e Bien que le -pourtant r´cent- march´ des nanotechnologies soit d´j` im- e e ea portant, on en attend surtout une croissance tr`s rapide dans les prochaines e ann´es. Bien plus rapide, par exemple, que le march´ de l’informatique. e e Aujourd’hui, on compte 1500 entreprises dans le monde effectuant des re- cherches sur les nanotechnologies. La R´gion Wallonne s’implique elle aussi, e pour un effectif de 400 chercheurs et un budget de 35 millions d’euros. 1.4 Top-down versus bottom-up Jusqu’ici, la technologie a privil´gi´ l’approche top-down, celle de la mi- e e niaturisation progressive ; qui part des grandes dimensions et s’attache ` les a r´duire le plus possible. Cette approche n’est plus possible ` l’´chelle du e a e nanom`tre. En effet, ` ces dimensions, les lois de la physique classique ne e a sont plus applicables, plus pr´cis´ment ` cause du nombre restreint de par- e e a ticules et donc de la primaut´ des propri´t´s surfaciques sur les propri´t´s e ee ee volumiques. Il faut donc partir du bas, de l’atome, pour remonter ` l’´chelle a e des nanoparticules : c’est l’approche bottom-up. On fait pour cela appel ` a la physique quantique, qui n´cessite de tr`s longs calculs d`s que le nombre e e e d’atomes grandit. C’est vers ce concept qu’on tend d´sormais ` se diriger, et e a c’est ce qui singularise la nanoscience sur les techniques ayant donn´ lieu aux e avanc´es ant´rieures ; plutˆt que de r´duire les dimensions d’un assemblage e e o e donn´, on construit atome par atome le composant souhait´. e e 1.5 Il y a nano et nano Il est important cependant de souligner que toutes les applications com- merciales actuelles des nanotechnologies sont issues de l’approche top-down. De plus, la plupart des produits labellis´s nano ne sont en r´alit´ que des e e e am´liorations de propri´t´s de produits existants. On peut ainsi citer le ren- e ee forcement de raquettes ou de cadres de v´lo par des nanotubes de carbone, e l’apparition de tissus et de verres autonettoyants, l’intensification de l’effet d’un cr`me de soins, etc. e 1.6 Applications ` venir a Des plus imminentes aux plus futuristes, voici une pr´sentation suc- e cincte des principales applications des nanotechnologies, lesquelles viendront a ` moyen et long terme prendre une place importante dans notre quotidien. Verres isolants En disposant sur une vitre une couche nanom´trique e d’´paisseur telle qu’elle laisse passer le spectre visible mais bloque les in- e 4
  • 6. frarouges, on obtient un verre isolant, beaucoup plus efficace que le double vitrage conventionnel. Mat´riaux autonettoyants Si on structure la surface d’un mat´riau de e e telle sorte que celle-ci soit constitu´e d’un r´seau de nanopiliers, le mat´riau e e e r´sultant est autonettoyant ; c’est l’effet lotus. L’eau et les poussi`res glissent e e sur la surface sans y adh´rer. Cette application est int´ressante pour les e e pare-brises de voiture, rendant inutiles les essuie-glaces. Nano-´lectronique La miniaturisation constante des composants infor- e matiques a permis jusqu’ici de doubler le nombre de transistors d’une puce en un an et demi ` deux ans, et ce depuis 1970. Cela implique ´videmment a e de diminuer la taille de ces transistors, processus ayant une limite technique. La nano-´lectronique con¸oit et fabrique des mol´cules jouant ` elles seules e c e a le rˆle de composants ´lectroniques. Une autre approche consid`re les pro- o e e pri´t´s ´lectroniques particuli`res de nanoparticules. Le d´fi est cependant ee e e e ardu et la r´alisation technologique devra encore attendre. e L’ascenseur spatial L’ascenseur spatial, c´l`bre fantasme de nombreux ee scientifiques, devrait ˆtre constitu´ d’un cˆble de 36000 km fait d’un mat´riau e e a e aussi extrˆmement r´sistant qu’extrˆmement l´ger. Les nanotubes de car- e e e e bone pourraient r´pondre ` ces attentes. e a Secteur biom´dical Les nanoparticules magn´tiques sont d´tectables par e e e IRM. Si on leur adjoint certaines mol´cules biologiques sp´cifiques (= cap- e e teurs) et qu’on les injecte dans le sang d’un patient, ces nanoparticules vont se fixer sur les cellules d´sir´es, en fonction du capteur choisi. On peut e e ainsi localiser des tumeurs. Mais on peut aller plus loin : en soumettant les nanoparticules magn´tiques (fix´es ` des cellules canc´reuses) ` une onde e e a e a ´lectromagn´tique, ces derni`res vont bouger et chauffer, et quelques degr´s e e e e suffisent pour tuer la cellule, qui disparaˆ Une approche diff´rente consiste ıt. e a ` encapsuler un principe actif dans une nanoparticule creuse (par ex. du C60 ) et ` lui adjoindre des mol´cules servant de capteurs. Une fois au contact de a e la cellule, la nanoparticule, munie d’une enveloppe similaire ` une membrane a cellulaire, fusionne avec celle-ci et d´livre le m´dicament. e e Jouer ` Dieu ? En 1986, dans son livre ’Engins de cr´ation’, Eric Drexler a e lance l’id´e de nanorobots capables de reconstituer n’importe quelle struc- e ture (de la mol´cule ` la voiture) simplement en assemblant les atomes e a requis. Ce concept passionne et effraie. Quoi qu’il en soit, et mˆme si c’est e dans cette direction que l’on va actuellement, litt´ralement jongler avec les e atomes n’est ni pour demain ni pour apr`s-demain. La discussion reste donc e ouverte.[3] 5
  • 7. Chapitre 2 Etude th´orique des e propri´t´s optiques e e Les nanocristaux de semiconducteurs, aussi appel´s Quantum Dots e (points ou boˆ ıtes quantiques) illustrent les progr`s spectaculaires e r´alis´s dans la synth`se des nanomat´riaux. Leurs propri´t´s phy- e e e e e e siques particuli`res, interm´diaires entre celles des mondes ato- e e mique et macroscopique, sont domin´es par des effets de confine- e ment quantique des porteurs de charge et d´pendent crucialement e de leur taille qui peut ˆtre ajust´e entre 2 et 10 nm. Eclair´s en e e e ultraviolet, ces nanocristaux ´mettent de la lumi`re dont la cou- e e leur varie en fonction de leur taille. Il devient ainsi possible de fabriquer toute la palette des couleurs. Dot´s de cette propri´t´, e e e les nanocristaux de semiconducteurs peuvent par exemple ˆtre uti- e lis´s comme marqueurs luminescents de syst`mes biologiques pour e e suivre l’´volution de processus divers dans les cellules vivantes, ou e encore comme marqueurs d’objets et de produits commerciaux.[1] Les nanocristaux doivent leurs propri´t´s optiques particuli`res ` e e e a la nature semiconductrice de leurs composants associ´e ` la taille e a nanom´trique de leur coeur. Un semiconducteur (non dop´) pr´sente e e e une bande de valence, pleine, et une bande de conduction, vide, s´par´es par e e une bande interdite, le gap, de largeur Eg . Il est possible de transf´rer un ´lectron de la bande de valence ` la bande e e a de conduction et ainsi de cr´er un trou dans la bande de valence. Dans toute e structure semiconductrice (massive ou nanom´trique), l’absorption d’un ou e plusieurs photons est susceptible de cr´er des paires ´lectrons trous, com- e e mun´ment appel´es excitons1 . Dans le cas d’un semiconducteur massif, la e e 1 paire ´lectron-trou :paire de porteurs non li´s ` un atome et donc aptes ` se d´placer e e a a e dans l’ensemble du cristal o` ils sont apparus et dont l’un est n´gatif(´lectron dans la u e e 6
  • 8. Fig. 2.1 – (a) Nanocristal de CdSe (Quantum Dot). (b) Gap ´lectronique e coh´sion des excitons est uniquement due ` l’interaction coulombienne. L’ex- e a citon a donc une ´nergie inf´rieure au gap du semiconducteur massif. Ceci e e est dˆ au fait que l’exciton ne poss`de pas une ´nergie suffisante pour pas- u e e ser dans la bande de conduction, il se situe par cons´quent dans la bande e interdite. La fluorescence correspond ` la recombinaison radiative d’un exciton par a ´mission d’un photon d’´nergie ´gale ` la diff´rence d’´nergie entre l’´tat e e e a e e e excit´ et l’´tat fondamental. L’exc`s d’´nergie hνexc − hνf luo est evacu´ e e e e e sous forme de chaleur. La fluorescence est donc d’autant plus probable que la temp´rature est faible. Du fait que l’´nergie excitonique pour un semi- e e conducteur massif est inf´rieure ` l’´nergie du gap, ce dernier ne peut ´mettre e a e e par fluorescence. Par ailleurs, l’´lectron et le trou constituent un syst`me hydrog´no¨ dont e e e ıde le rayon de Bohr est donn´ par : e me aexc = ǫ a0 m∗ o` me , ǫ, a0 sont respectivement la masse de l’´lectron, la permittivit´ du se- u e e miconducteur massif et le rayon de Bohr de l’atome d’hydrog`ne.[7] La masse e m∗ m∗ r´duite de l’exciton est donn´e par m∗ = m∗e h∗ o` m∗ et m∗ d´signent e e u e h e e +mh les masses r´duites respectives de l’´lectron et du trou. Le rayon de Bohr e e d´pend du semiconducteur consid´r´. Pour le s´l´niure de cadmium CdSe e ee ee par exemple, ce rayon de Bohr est ´gal ` 5,6 nm. Le rayon du coeur de CdSe e a des nanocristaux est compris entre 1 et 5 nm. Il est donc plus petit que le rayon de Bohr : on parlera alors de confinement fort des porteurs de charge. Dans un semiconducteur de taille nanom´trique, le confinement des paires e ´lectron-trou est donc dˆ aux dimensions r´duites du nanocristal. Cet effet e u e se traduit par une ´nergie de confinement ∝ 1/a2 qui s’ajoute au potentiel e attractif coulombien ∝ 1/a. En fonction des dimensions, on distingue donc deux r´gimes de confinement : e – Le r´gime de confinement faible pour a > aexc , : l’effet liant de l’in- e teraction coulombienne domine l’effet du confinement quantique qui bande de conduction) et l’autre positif(absence d’´lectron dans la bande de valence). e 7
  • 9. peut ˆtre trait´ comme un perturbation. Ce r´gime est observ´ dans e e e e la plupart des boˆ quantiques ´pitaxi´es2 . ıtes e e – Le r´gime de confinement fort pour a < aexc , o` l’effet du confine- e u ment quantique est pr´pond´rant. L’interaction coulombienne n’est e e alors trait´e que comme une correction. Le confinement fort se traduit e par l’apparition de niveaux d’´nergie excitoniques discrets situ´s en e e bas de la bande de conduction (niveaux ´lectroniques) et au sommet e de la bande de valence (niveaux de trous). Contrairement au cas du mat´riau massif, l’´nergie d’un exciton est alors e e sup´rieure au gap. L’´nergie des excitons et l’´cart entre niveaux excito- e e e niques sont d’autant plus importants que la taille du nanocristal est faible. C’est en particulier le cas des niveaux qui d´terminent le gap. En premi`re e e approximation, le gap Eg de nanocristaux sph´riques est donn´ par la for- e e mule : 2π2 1 1 1, 8e2 1 solide Eg = Eg + ( + ∗ )− 2a2 m∗ me mh me e 4πǫǫ0 a . Dans cette ´quation, le premier terme Eg e solide correspond au gap du cris- tal massif. Le deuxi`me terme en 1/r e 2 dit de confinement quantique est cal- cul´ dans l’hypoth`se d’un nanocristal sph´rique o` sont confin´s un ´lectron e e e u e e et un trou de masses effectives3 respectives m∗ et m∗ (sans dimension). e h repr´sente le quantum de moment cin´tique. Le dernier terme de l’´quation e e e correspond ` l’attraction coulombienne entre l’´lectron et le trou. a e ǫ est la permittivit´ di´lectrique statique du mat´riau relative ` celle du e e e a vide ǫ0 , e correspond ` la charge ´lectrique de l’´lectron (-1.602·10−19 C). Ce a e e ph´nom`ne est d’autant plus marqu´ que le rayon est faible (variation en e e e 1/a2 ). Comme constat´ pr´c´demment, l’exciton se d´sexcite au bout d’un e e e e temps de l’ordre de la ps, de mani`re radiative entre les niveaux fondamen- e taux de l’´lectron et du trou en ´mettant un photon dit de fluorescence. Ce e e photon poss´de la mˆme ´nergie Er de recombinaison entre les niveaux fon- e e e damentaux de l’´lectron et du trou associ´, chacun ´tant confin´ dans son e e e e puits quantique. Une large plage d’´nergies de gap peut ainsi ˆtre couverte e e en utilisant diff´rents semiconducteurs. On peut donc couvrir une gamme e spectrale relativement large allant du proche infrarouge au proche ultravio- let. Cette d´sexcitation radiative ou recombinaison, est caract´ris´e par une e e e ´nergie de recombinaison sup´rieure ` l’´nergie du gap Eg du cristal macro- e e a e scopique, le photon ´mis a une ´nergie ´gale ` la diff´rence d’´nergie entre e e e a e e l’´tat excit´ et l’´tat fondamental : E = hν = Eg + Ef ond e e e cond + E val . De plus, f ond 2 L’´pitaxie est une technique de croissance orient´e, l’un par rapport ` l’autre, de deux e e a cristaux poss´dant un certain nombre d’´l´ments de sym´trie communs dans leurs r´seaux e ee e e cristallins. 3 La masse effective est un facteur correctif ` appliquer ` la masse de l’´lectron libre a a e pour tenir compte de la courbure des bandes de valence et de conduction au voisinage du gap d’´nergie. e 8
  • 10. l’´cart d’´nergie Er entre les niveaux fondamentaux augmente lorsque la e e longueur caract´ristique de la ”boˆ quantique” diminue. Ainsi, les photons e ıte ´mis poss`dent une ´nergie plus grande lorsque le rayon du cristal diminue. e e e Comme E = hν = hc , la longueur d’onde ´mise diminue avec le rayon. λ e Cette ´nergie de recombinaison ´tant invariable pour les photons ´mis, il e e e est ´vident que le spectre d’´mission de fluorescence des nanocristaux se e e compose d’un seul pic tr`s ´troit et ce, ind´pendamment de l’´nergie Ee e e e e d’excitation. La position du pic d´pend de l’´nergie de recombinaison. Er d´pendant de e e e la taille du cristal, la position du pic varie donc aussi avec la taille de la particule. Ainsi, plus la particule est petite, plus la longueur d’onde dimi- nue (d´calage vers le bleu). L’absorption de photons est possible pour des e ´nergies sup´rieures ` l’energie de recombinaison. En-dessous d’une longueur e e a d’onde caract´ristique, le nanocristal absorbera la lumi`re. Le spectre d’ab- e e sorption d’une solution de nanocristaux est donc similaire ` celui d’un solide. a Par contre, son spectre d’´mission sera proche d’une assembl´e d’atomes e e identiques, on parle d’ailleurs d’‘atome artificiel’. Le spectre sera centr´ au- e tour d’une longueur d’onde proche de la plus petite longueur d’onde d’ab- sorption. Sa largeur se situe entre 20 et 30 nm. D`s lors, on peut exci- e ter des nanocristaux de tailles diff´rentes avec une seule longueur d’onde e afin d’obtenir des longueurs d’onde d’´mission respectivement diff´rentes. e e Ce r´sultat reste inaccessible aux colorants usuels. Toutefois, lorsque l’on e observe l’´mission collective de QDs, on constate que cette ´mission est dis- e e tribu´e sur une gamme spectrale tr`s large, typiquement cent mille fois plus e e large que pour un atome ! D’o` cela vient-il ? On se doute que les fluctua- u tions de taille de boˆ ` boˆ sont partiellement responsables de ce r´sultat. ıte a ıte e Pour confirmer cette hypoth`se et connaˆ les propri´t´s intrins`ques des e ıtre ee e boˆ quantiques, il faut isoler et ´tudier une boˆ quantique unique. ıtes e ıte Partant d’un plan de boˆ ıtes quantiques, on va graver celui-ci de fa¸on ` c a d´finir des plots, dont la taille est de l’ordre de 100 nanom`tres, et qui e e ne contiennent que quelques boˆ ıtes, voire une seule boˆ ıte. Lorsque l’on r´alise cette exp´rience, on peut observer un spectre d’´mission constitu´ e e e e de quelques raies spectrales tr`s fines, qui correspondent chacune ` une e a boˆ quantique sp´cifique (voir la figure 2.2). Ce comportement, observ´ ıte e e a ` basse temp´rature (T < 10K), est bien conforme ` ce qu’on attend pour e a cet ”atome artificiel” que constitue chaque boˆ quantique. On peut r´aliser ıte e de mˆme des exp´riences d’absorption sur des boˆ quantiques isol´es. De e e ıtes e mˆme que l’´tude des raies d’absorption associ´es au milieu interstellaire e e e renseigne l’astronome sur la composition de celui-ci, cette exp´rience per- e met d’observer des raies d’absorption tr`s fines pour les boˆ quantiques, e ıtes de sonder les ´tats excit´s de l’´lectron confin´, et de mieux connaˆ e e e e ıtre la forme et les dimensions de la boˆ ´tudi´e. ıte e e Une boˆ quantique ´met donc ` basse temp´rature, comme un atome, ıte e a e un rayonnement de tr`s faible largeur spectrale. Malheureusement, on perd e 9
  • 11. Fig. 2.2 – Spectre d’´mission mesur´ ` basse temp´rature (10 K) pour un e ea e ensemble de boˆ quantiques (` gauche) et pour une boˆ quantique isol´e, ıtes a ıte e a ` droite. On notera que l’´chelle des ´nergies est environ 100 fois plus petite e e pour le spectre de la boˆ unique. ıte cette propri´t´ tr`s s´duisante d`s qu’on d´passe une temp´rature sup´rieure ee e e e e e e a ` une centaine de Kelvin. A temp´rature ambiante (300 K), la raie d’´mission e e observ´e pour une boˆ unique est voisine de 10 meV (soit environ kT /2), e ıte ce qui est comparable ` la largeur de raie observ´e pour un puits quantique. a e On est donc ici tr`s loin de l’image de l’atome artificiel. Plus on ´l`ve la e ee temp´rature, plus les vibrations des atomes constituant le cristal semicon- e ducteur sont importantes. Ces vibrations cristallines viennent perturber le syst`me ´lectronique et de ce fait ´largissent l’´mission associ´e ` une boˆ e e e e e a ıte unique. Ce r´sultat, qui n’a ´t´ d´couvert que relativement r´cemment, nous e ee e e montre donc que l’image de l’atome artificiel isol´ n’est pas du tout valide ` e a haute temp´rature. Les QDs sont par cons´quent fortement coupl´s ` leur e e e a environnement. Au-del` de son importance conceptuelle, ce r´sultat remet en a e question certaines applications envisag´es pour les boˆ quantiques telles e ıtes que les applications dans le domaine des lasers.[5] 10
  • 12. Chapitre 3 Application des nanoparticules ` la a biotechnologie La biotechnolgie, connue pour ses applications m´dicales et agri- e coles, se concentre de plus en plus sur l’´laboration de mat´riaux e e innovants et de machines biologiques aux fonctions, structures et destinations d’une ´tonnante diversit´, et l’av`nement de la nano- e e e technologie est venu acc´l´rer cette tendance. En imitant la nature, ee les chercheurs con¸oivent des structures mol´culaires radicalement nouvelles c e qui peuvent servir de base a la production de nouveaux mat´riaux et de ` e machines mol´culaires sophistiqu´es. Les biologistes sp´cialistes de la nano- e e e technologie ont commenc´ ` exploiter les possibilit´s d’autoassemblage des ea e mol´cules comme instrument de fabrication de nouvelles nanostructures bio- e logiques telles que les nanotubes pour le coulage de m´taux, les nanov´sicules e e pour l’encapsulation de m´dicaments et les r´seaux de nanofibres pour la e e r´g´n´rescence tissulaire. Ces biologistes sont en train de mettre au point e e e toutes sortes de nanoparticules et de nanodispositifs d’` peine quelques mil- a limicrom`tres de diam`tre, lesquels sont destin´s ` am´liorer le d´pistage e e e a e e de cancers, ` stimuler la r´ponse immunitaire et ` bloquer l’ath´roscl´rose. a e a e e Une meilleure compr´hension de ces ph´nom`nes pourrait permettre, un e e e jour, de r´parer divers organes ou de rajeunir la peau, d’accroˆ e ıtre les ca- pacit´s humaines, bref, de r´aliser divers accomplissements consid´r´s au- e e ee jourd’hui comme impossibles. L’incorporation de mat´riel biologique aux e nanoparticules de semiconducteur ainsi qu’aux nanoparticules m´talliques e ´largit de mani`re consid´rable le domaine d’activit´ li´ ` la biophotonique, e e e e ea notamment dans le secteur de l’imagerie optique, des biotraceurs et de la th´rapeutique. Comme vous pouvez l’imaginer, certaines retomb´es techno- e e logiques sont principalement li´es ` l’objet de cette ´tude. La similitude en e a e taille entre les nanomat´riaux et les biomol´cules courantes rendent ces na- e e 11
  • 13. nostructures particuli`rement int´ressantes pour le tra¸age intracellulaire et e e c id´ales pour la combinaison biologique. La suite de cette partie pr´sentera e e quelques exemples de nanostructures ayant ´t´ int´gr´s avec succ`s dans ee e e e des probl`mes li´s ` la biotechnologie. Nous focaliserons ce travail sur les e e a nanoparticules de semiconducteur, mais des informations concernant les ap- plications biom´dicales de nanoparticules m´talliques et magn´tiques pour- e e e ront ˆtre trouv´es ailleurs[8]. Nous d´crirons l’usage des QDs en tant que e e e marqueurs fluorescents dans l’imagerie biom´dicale. Un exemple de nano- e particules m´talliques sera aussi pr´sent´ afin de pouvoir le comparer aux e e e nanoparticules de semiconducteurs dans les applications biologiques. 3.1 Application ` l’imagerie du monde vivant a Comme on l’a d´crit pr´c´demment, la taille nanom´trique des e e e e quantum dots implique le confinement quantique des porteurs de charge. Pour rappel, les particules se pr´sentent d`s lors comme e e des sources de lumi`re de longueur d’onde accordable, tr`s brillantes, e e photostables. Elles pr´sentent de plus un spectre d’´mission tr`s e e e ´troit(25-35 nm). Ces particules d´passent donc de loin les pos- e e sibilit´s des fluorophores organiques actuels. Ce spectre tr`s ´troit e e e permet la d´tection simultan´e de plusieurs fluorophores par excitation lu- e e mineuse avec une source de lumi`re unique. La dur´e de vie de la photolumi- e e Fig. 3.1 – Marquage de fibroblastes nescence est par ailleurs relativement longue (20-50 ns), ce qui nous permet l’imagerie de cellules vivantes sans interf´rer avec l’autofluorescence de fond. e La stabilit´ face au photoblanchiment1 et le large rapport surface sur vo- e lume rendent les QDs sup´rieurs aux fluorophores actuels, ceci aussi bien e sur le plan de la sensibilit´ de la d´tection que sur l’analyse ` long terme des e e a processus biologiques. Nous pr´sentons dans ce qui suit quelques exemples e d’applications de ces fluorophores en tant que marqueurs biologiques. 1 Perte de fluorescence d’une mol´cule. La mol´cule ` l’´tat excit´ peut soit ´mettre un e e a e e e photon, soit ˆtre engag´e dans une r´action photochimique qui va empˆcher son retour ` e e e e a un ´tat excitable.[7] e 12
  • 14. La premi`re application des QDs en tant que marqueurs dans l’imagerie e biologique fut r´alis´e par le groupe Alivistos qui a r´ussi l’authentification e e e multicouleur de fibroblastes 3T3 sur des souris(3.1). Du fait que les particules de CdSe/ZnS sont insolubles dans les solvants polaires et toxiques, une co- quille de silicium a ´t´ intentionnellement fix´e sur les nanocristaux. Puisque ee e les processus biologiques se d´roulent dans un environnement aqueux, il est e n´cessaire de rendre hydrophile la surface des QDs. Cette coquille est par e ailleurs recouverte de ligands : Ces mol´cules, souvent de nature organique, e servent ` faire le pont entre l’environnement aqueux et les nanoparticules a tout en maintenant leurs propri´t´s de fluorescence et en contenant des ee groupes r´actifs pour leur fonctionnalisation ult´rieure. e e Une autre m´thode est celle utilis´e par le groupe Alivistos, m´thode four- e e e nissant les meilleurs r´sultats. Dans cette approche de solubilisation, r´alis´e e e e avec des polym`res (Qdots Corp., Etats-Unis), on conserve les ligands hy- e drophobes de surface et on rajoute des mol´cules amphiphiles. La partie e hydrophobe de ces mol´cules vient se lier aux ligands tandis que la partie e hydrophile est expos´e au solvant. e Le couplage ult´rieur des nanocristaux solubilis´s ` des mol´cules biolo- e e a e giques fait intervenir l’arsenal (3.2) des techniques de bioconjugaison2 . La premi`re m´thode de biofonctionnalisation concerne l’´change du ligand3 e e e d’origine par des tensio-actifs bifonctionnels comportant une extr´mit´ hy- e e drophile et une extr´mit´ capable de se lier ` une coquille ZnS. Les thiols e e a (-SH) sont les groupements les plus utilis´s et les groupes carboxyliques (- e COOH) sont ` la fois hydrophiles et aptes ` assurer une liaison amide avec a a les goupes −N H2 des prot´ines. La deuxi`me voie, la silanisation, permet e e l’enrobage des QDs par une couche de silane qui les stabilise grandement. La troisi`me voie concerne la biotinylation des QDs. C’est une biofonctionna- e lisation tr`s versatile qui permet de lier la nanoparticule conjugu´e biotine e e a ` toute biomol´cule conjugu´e biotine ou avidine par le biais du couplage e e biotine/avidine. Des QDs biotinyl´s, de photoluminescence rouge, se sont s´lectivement e e attach´s aux filaments du cytosquelette modifi´ par de la streptavidine. Des e e QDs ´mettant dans le vert coupl´s ` de l’ur´e et ` des ´l´ments du groupe des e e a e a ee ac´tates ont montr´ une affinit´ particuli`re pour la membrane nucl´ique. e e e e e L’excitation constante de QDs bioactifs pendant plus de 4 heures avec un la- ser Ar+ a permis une ´mission constante, ceci avec peu de d´p´rissement. Les e e e QDs auxquels on a fix´ des immuno-mol´cules ont pu d´tecter des anticorps e e e et antig`nes sp´cifiques. Les ann´es suivantes, l’imagerie de cellules vivantes, e e e ayant ´t´ un succ`s, a accru de mani`re importante la popularit´ de l’usage ee e e e 2 De mani`re g´n´rale, celles-ci consistent ` coupler le groupe r´actif en surface des e e e a e nanoparticules ` des groupes amine - NH2, carboxyle - COOH ou mercapto - SH pr´sents a e sur la mol´cule biologique (par exemple un anticorps) que l’on souhaite attacher. e 3 Toute mol´cule pouvant se lier ` une autre, en particulier mol´cule capable de se lier e a e ` un r´cepteur biologique a e 13
  • 15. Fig. 3.2 – Principales voies de biofonctionnalisation des nanoparticules semi- conductrices de type CdSe/ZnS de QDs dans les syst`mes biologiques. Par ailleurs, un progr`s impressio- e e nant en imagerie du cancer a pu ˆtre accompli par l’usage des nanocristaux e de semiconducteurs. En 2003, Wu et coll. ont conjugu´ l’immunoglobine G e (IgG) et la streptavidine sur le CdSe avec des spectres d’´mission diff´rents e e afin de pouvoir identifier le marqueur du cancer du poumon Her2 pr´sent e a ` la surface de cellules canc´rig`nes vivantes. Ils ont aussi pu utiliser ces e e nanoparticules conjugu´es afin de marquer l’actine et les fibres microtubu- e laires dans le cytoplasme ainsi que la d´tection d’antig`nes nucl´aires dans e e e le noyau. Le travail de Wu a pour but d’identifier les tumeurs susceptibles de r´ponse ` la m´dication contre le cancer. La r´cente pouss´e en mati`re e a e e e e d’´tudes in vivo a pu d´montrer que les QDs sont aussi efficaces dans l’en- e e vironnement physiologique que dans les tubes ` essais. Des sondes de QDs a encapsul´es dans un copolym`re4 ont pu ˆtre d´livr´es sur des tumeurs par e e e e e un m´canisme de tra¸age passif et par un m´canisme actif. e c e Dans le mode passif, les macromol´cules entourant les nanocristaux se sont e accumul´es pr´f´rentiellement sur le site de la tumeur grˆce ` une perm´abilit´ e ee a a e e augment´e et un effet de r´tention. Dans le d´pistage actif de tumeurs, des e e e QDs conjugu´s ` des anticorps ont pu cibler de mani`re sp´cifique des an- e a e e tig`nes particuliers sur la membrane de la tumeur. Des signaux intenses ont e pu ˆtre obtenus par injection intraveineuse de ces sondes anticorps ` une e a souris porteuse de tumeurs (3.3). L’avantage de ce proc´d´ r´side dans le e e e fait que le polym`re hydrophile poss`de un nombre important de groupes e e fonctionnels autorisant l’attachement simultan´ d’agents th´rapeutiques et e e de diagnostic. Ces points multifonctionnels pourraient donc d´pister les tu- e meurs et d`s lors, une excitation par lumi`re laser pourrait lib´rer les agents e e e th´rapeutiques de telle sorte que seules les tumeurs recevraient la toxine, e minimisant ainsi les effets secondaires. On a aussi pu d´montrer que les e 4 Copolym`re : macromol´cule mettant en jeu au moins deux monom`res, li´s par des e e e e liaisons covalentes 14
  • 16. Fig. 3.3 – D´pistage de tumeurs e cellules canc´reuses sont invasives et fortement mobiles, ce r´sultat ´tant e e e bas´ sur le fait que les cellules canc´reuses englobant les nanoparticules les e e rendent inactives. Ces travaux n’ouvrent pas seulement la voie ` l’´tude des a e m´canismes invasifs des cellules canc´reuses en temps r´el mais permettent e e e aussi l’´tude d’une multitude d’autres interactions multicellulaires qui ont e lieu dans les processus de croissance et de d´veloppement chez les animaux. e Ceci permet le suivi d’exp´riences de longues dur´e en embryogen`se. La e e e demande ´tant forte pour l’imagerie de structures profondes du corps, les e QDs ´mettant dans le proche infrarouge (650-1000 nm) ont le plus d’int´rˆt ; e ee c’est en effet la r´gion du spectre o` la transmission de la lumi`re ` travers e u e a les tissus et le sang est maximale. R´cemment, une avanc´e majeure en ima- e e gerie du cancer a ´t´ r´alis´e en utilisant une structure coeur/coquille de ee e e CdTe/CdSe. Ces nanoparticules de CdTe/CdSe ´mettent dans le proche in- e frarouge. Il est toutefois int´ressant de mentionner que l’imagerie de haut e contraste ou de haute r´solution peut aussi ˆtre obtenue par usage de na- e e noparticules m´talliques. Celles-ci am´liorent la sensibilit´ de l’analyse par e e e tomographie opto-acoustique. Cette nouvelle m´thode d’imagerie m´dicale e e utilise l’illumination optique et la d´tection ultrasonique afin de produire e des images profondes des tissus, ces images ´tant acquises par l’absorption e lumineuse. Les exp´riences avec ces particules m´talliques ont permis de e e d´montrer qu’avec une concentration tr`s basse de 109 particules/ml, on e e rend possible la d´tection ` une profondeur de plus de 60 mm dans les tis- e a sus. Cette d´tection est impossible en imagerie optique pure.[8] e 3.2 Bilan Ces exp´riences ont montr´ que les nanocristaux semiconducteurs sont e e un outil de choix pour l’imagerie biologique en permettant l’observation directe du mouvement d’acteurs mol´culaires impliqu´s. En attachant des e e 15
  • 17. sondes de diff´rentes couleurs ` diff´rentes prot´ines, il est d´sormais d´j` e a e e e ea possible d’´tudier le mouvement des diff´rents acteurs, d’´tudier leurs inter- e e e actions in vivo et ainsi de mieux traduire la complexit´ des processus bio- e logiques. Ce n’est sans doute qu’un aspect partiel de l’apport de ces sondes inorganiques ` l’imagerie biologique. Compos´s de mat´riaux ´mettant dans a e e e l’infrarouge, des nanocristaux permettront sans doute l’imagerie ultrasen- sible dans des milieux ´pais tels que des tissus ou des petits animaux. Les e nanoparticules fluorescentes seront ` l’avenir non seulement des indicateurs a de la position mais aussi des sondes de l’environnement chimique local (cfr d´tection d’agents biologiques de guerre,...). A plus long terme, ils trouve- e ront, peut-ˆtre, un rˆle comme guide fluorescent pour les outils des chirur- e o giens. 16
  • 18. Chapitre 4 Exp´rience : Colorim´trie e e Dans cette partie sont expos´s nos propres r´sultats, pr´c´d´s d’une br`ve e e e e e e pr´sentation des notions et outils dont nous avons eu besoin pour notre e analyse. La caract´risation optique des nanophores se r´alise en 3 ´tapes : e e e – Obtention d’un graphique de la transmission en fonction de la longueur d’onde pour une solution d’une nanoparticule de taille d´termin´e. e e – Conversion des donn´es afin d’obtenir les trois coordonn´es trichroma- e e tiques du point de couleur. – Obtention de la couleur pour la nanoparticule grˆce au triangle des a couleurs et v´rification th´orique qualitative. e e 4.1 Le point de couleur Le point de couleur permet de d´crire la couleur de l’´chantillon de fa¸on e e c univoque dans un espace ` trois dimensions, g´n´ralement ramen´ ` deux a e e e a dimensions comme dans la repr´sentation de la figure (4.1). Pour cela, le e spectre d’´mission est successivement multipli´ par trois courbes de sensibi- e e lit´ spectrale (X(λ),Y(λ),Z(λ)), avant d’op´rer une int´gration sur la totalit´ e e e e du spectre pour obtenir les grandeurs X, Y et Z. Les fonctions X(λ), Y(λ), Z(λ) sont d´finies dans une norme cr´´e par la Commission Internationale e ee de l’Eclairage. Pour se ramener ` un espace ` deux dimensions, ces r´sultats a a e sont norm´s : e X x= X +Y +Z Y y= X +Y +Z Z z= = 1 − (x + y) X +Y +Z 17
  • 19. Le couple (x,y) ainsi calcul´ est caract´ristique de la couleur de l’´chantillon. e e e On peut alors positionner ce point dans le classique triangle des couleurs o` u le blanc parfait a pour coordonn´es (0.33 , 0.33).[6] e Fig. 4.1 – Diagramme de chromaticit´ e 4.2 Appareillage : le spectrom`tre e Un spectrom`tre analyse longueur d’onde par longueur d’onde (soit avec e un intervalle de longueurs d’ondes de quelques nanom`tres) l’´nergie lu- e e mineuse en r´flexion ou en transmission d’un objet. Nous obtenons, apr`s e e mesure, une courbe spectrale de l’´chantillon sur un intervalle de longueurs e d’onde correspondant au spectre visible (en g´n´ral entre 380-780 nm).[9] e e Le spectrom`tre comprend : e – une source de lumi`re : lumi`re blanche (lumi`re polychromatique) ou e e e lumi`re UV. e – un monochromateur form´ d’un r´seau diffractant la lumi`re de la e e e source. Il permet de s´lectionner la longueur d’onde de la lumi`re qui e e traversera la solution ` doser. a – une cuve transparente dans laquelle on place la solution ` ´tudier. Le ae solvant utilis´ n’´tant pas toujours transparent, il est obligatoire de e e r´aliser un ’blanc’, c’est-`-dire une mise ` z´ro du dispositif, en ne e a a e pla¸ant que le solvant utilis´ dans la cuve avant la premi`re mesure, c e e et ce pour chaque longueur d’onde ´tudi´e. e e – une cellule photo´lectrique, restituant un courant proportionnel au e nombre de photons re¸us. c 18
  • 20. – un d´tecteur ´lectronique dont la r´ponse est proportionnelle ` ce cou- e e e a rant ´lectrique et permet une mesure relative de l’intensit´ lumineuse. e e Fig. 4.2 – Principe du spectrom`tre. e 4.3 R´sultats e Fig. 4.3 – Spectre de transmission des diff´rentes nanoparticules e Les r´sultats sont expos´s et interpr´t´s de mani`re physique en laissant e e ee e de cot´ l’aspect rugueux des ´quations. On a analys´ des ´chantillons de na- e e e e noparticules de CdS, avec comme seule variable caract´risant les ´chantillons, e e la taille des nanocristaux pr´sents. Apr`s analyse dans un spectrom`tre, e e e on obtient le spectre de transmission des nanoparticules. La transmission est l’inverse de l’absorption/absorbance. C’est un principe ´l´mentaire de ee la conservation de l’´nergie. Comme indiqu´ dans l’´tude th´orique, le gap e e e e augmente ` mesure que la taille du cristal d´croˆ On constate que l’absorp- a e ıt. tion est maximale pour un faisceau de lumi`re dont la longueur d’onde est e faible. A partir d’un certain seuil, ` longueur d’onde croissante, l’intensit´ a e absorb´e diminue rapidement jusqu’` tendre vers 0, zone o` la transmis- e a u sion est maximale. La solution de particules est transparente aux longueurs 19
  • 21. d’onde plus ´l´v´es. Pour une nanoparticule de 5,7 nm l’absorption se fait ee e a ` λ = 483 nm, pour 4,9 nm l’absorption se fait ` λ = 463 nm, pour 3,4 nm a l’absorption se fait ` λ = 422 nm, pour 2,8 nm ` λ = 402 nm et finalement a a pour 2,1 nm ` λ = 392 nm. On constate que le seuil d’absorption est donc a fonction de la taille de la particule : plus la particule devient petite, plus son seuil d’absorption, caract´ris´ par sa longueur d’onde, diminue. Ceci semble e e logique : si on consid`re que l’´nergie est invers´ment proportionnelle ` la e e e a longueur d’onde, plus la longueur d’onde est petite, plus l’´nergie associ´e e e est importante. Or, on sait ` travers l’analyse th´orique que plus une par- a e ticule est petite, plus son gap est grand et plus importante sera l’´nergiee n´cessaire afin de le franchir. Consid´rons les deux cas extrˆmes. Soit une e e e particule grande (4,9 nm) : son gap (´nergie du gap) est fort ´troit. L’´nergie e e e pour le franchir est donc faible. Une lumi`re peut donc le franchir ` longueur e a d’onde plus ´lev´e (463 nm). A partir d’un seuil correspondant ` l’´nergie e e a e du gap, le nanocristal absorbe la lumi`re. A contrario, si la particule est e petite, son gap sera fort large. Ceci n´cessite une ´nergie plus grande. On e e trouve cette ´nergie pour une longueur d’onde plus faible. e En-dessous de cette longueur d’onde, l’´nergie sera suffisante pour franchir e Fig. 4.4 – Seuil d’absorption en fonction de la taille du nanocristal. le gap et toute la lumi`re sera absorb´e. e e Les coordonn´es trichromatiques des solutions ont ´t´ obtenues par un petit e ee programme con¸u sous Matlab qui, ` partir des trois courbes de sensibilit´ c a e et de la courbe exp´rimentale de transimission, calcule le couple (x,y) cor- e respondant. Couleurs obtenues : – nanoparticule de 2,1 nm (abs. indiqu´ : 360 nm ; mesur´ : 392 nm) : e e X = 0.3324 Y = 0.3332 (transparent) 20
  • 22. – nanoparticule de 2,8 nm (abs. indiqu´ : 380 nm ; mesur´ : 402 nm) : e e X = 0.3345 Y = 0.3356 (transparent) – nanoparticule de 3,4 nm (abs. indiqu´ : 402 nm ; mesur´ : 422 nm) : e e X = 0.3391 Y = 0.3449 (jaune l´ger)e – nanoparticule de 4,9 nm (abs. indiqu´ : 440 nm ; mesur´ : 463 nm) : e e X = 0.4207 Y = 0.4698 (jaune) – nanoparticule de 5,7 nm (abs. indiqu´ : 460 nm ; mesur´ : 483 nm) : e e X = 0.4593 Y = 0.5009 (jaune vif) Ces couleurs, qui correspondent ` l’aspect des solutions en lumi`re naturelle, a e sont bien celles observables ` l’oeil nu. a Pour ce qui est de la fluorescence, il y a une corr´lation ´troite entre le e e seuil d’absorption et la longueur d’onde d’´mission. En effet, ´clair´es par un e e e rayonnement d’´nergie ´gale ou sup´rieure ` l’´nergie de leur gap ´lectronique, e e e a e e les nanoparticules absorbent int´gralement ce rayonnement et le r´´mettent e ee quasi-instantan´ment, ` la longueur d’onde du seuil d’absorption (qui cor- e a respond donc ` l’´nergie du gap). Nos ´chantillons de CdS ´mettent par a e e e fluorescence aux longueurs d’onde suivantes ; respectivement 392, 402, 422, 463 et 483 nm. Ces valeurs se situent dans le bleu et le violet. A titre de remarque, on peut donner les pr´cisions suivantes quant ` ces der- e a niers r´sultats. Selon ceux-ci, le spectre de fluorescence de nos nanoparticules e se limite au bleu-violet. On est donc loin des petits flacons aux colorations arc-en-ciel que l’on peut voir sur les photos. Cela est cependant parfaitement explicable : les colorations qui couvrent tout le spectre visible sont obtenues avec des nanoparticules de CdSe et non de CdS. Au contraire de ce dernier, le s´l´niure de cadmium, pour la mˆme plage de tailles des cristaux, ´met sur ee e e une grande partie des longueurs d’onde visibles, cr´ant l’effet spectaculaire e bien connu. Pour obtenir avec du CdS des longueurs d’onde plus ´lev´es, on e e devrait avoir des particules de plus grande taille. Ces r´sultats sont corro- e bor´s par le site du constructeur des Quantum Dots, Aldrich, qui donne un e tableau d´taill´ des propri´t´s fluorescentes de ses nanoparticules de CdS et e e ee de CdSe [voir annexe]. 21
  • 23. Chapitre 5 Conclusion S’il est essentiellement descriptif, ce travail nous a offert la possibilit´ e d’appr´hender un th`me ` la pointe du monde de la recherche. La multidis- e e a ciplinarit´ de cette nouvelle branche des sciences nous a permis d’aborder e des notions plus avanc´es de chimie, physique et biologie. Bien que le sujet e de notre travail semble restreint, la multitude des applications envisageables suscite l’enthousiasme. En effet, les utilisations biom´dicales de cette tech- e nologie nouvelle sont prometteuses et peut-ˆtre un jour deviendront-elles e un outil incontournable pour la m´decine. Gu´rir des tumeurs et sauver e e les gens du cancer semble ´videmment tr`s s´duisant, mais seul l’avenir e e e nous dira si ces particules sont r´ellement efficaces et surtout, sans danger e pour l’homme. Il faut garder ` l’esprit que ces nanocristaux pourraient se a r´v´ler toxiques. Des organismes de contrˆle ont ´t´ cr´´s pour enquˆter sur e e o e e ee e les risques ´ventuels li´s ` l’utilisation de ces substances sur l’homme. Les e e a nanotechnologies b´n´ficient donc de recherches pouss´es consacr´es ` une e e e e a possible non-ad´quation de ces applications m´dicales. Cela est un ´l´ment e e ee cl´ pour l’avenir de ce secteur. e 22
  • 24. Bibliographie [1] BROKMANN X.(ENS), HERMIER J.-P.(JUSSIEU), DESBIOLLES P.(ENS), DAHAN M.(ENS), Des nanosources de lumi`re pour l’optique e et la biologie in IMAGES DE LA PHYSIQUE 2005 (CNRS) ; p. 1,2,7, 2005. [2] WAUTELET M. et coll., Les Nanotechnologies ; deuxi`me ´dition ; Col- e e lection DUNOD, 2006. [3] WAUTELET M., Nanotechnologies, M´ga d´fis : fascicule de l’exposi- e e tion, Avril 2007. [4] BERCIAUD S., Th`se pr´sent´e ` l’universit´ Bordeaux 1, ´cole docto- e e e a e e rale des sciences physiques et de l’ing´nieur, D´tection photothermique e e et spectroscopie d’absorption de nano-objets individuels : nanoparti- cules m´talliques, nanocristaux semiconducteurs et nanotubes de car- e bone, D´cembre 2006. e [5] GERARD J.-M., Texte de la 586 `me conf´rence de l’Universit´ de tous e e e les savoirs, Juillet 2005. [6] HOUDY P., LAMHANI M., BRECHNIGNAC C., Les nanosciences : 2. Nanomat´riaux et nanochimie ; Collection ECHELLES, BELIN ; p.606- e 607, Juin 2006. [7] Wikip´dia, f r.wikipedia.org/wiki/P hotoblanchiment, Avril 2007. e [8] WANG Y., TANG Z.,KOTOV N. A., Bioapplications of semiconductors in NANOTODAY ; p. 1-4 ; traduction, Mai 2005. [9] Wikip´dia, f r.wikipedia.org/wiki/Spectrophotometre Mai 2007. e 23
  • 25. Annexe Fig. 5.1 – Donn´es Aldrich e 24