Des nanoparticules d’or pour maintenir de l’eau liquide à 200 °C à pression ambiante
Les réactions chimiques dans des liquides métastables exigent généralement l’utilisation d’un autoclave scellé sous pression pour reculer le point d’ébullition. Des chercheurs ont mis en place une technique expérimentale, à l’aide de nanoparticules d’or comme nanosources de chaleur, leur permettant de réaliser des réactions hydrothermales à pression ambiante dans un milieu réactionnel ouvert. Ces travaux issus de l’Institut Fresnel ont fait l’objet d’une publication dans les premières pages de la nouvelle revue ACS Omega.
En chimie de synthèse, les méthodes dîtes hydrothermales consistent à utiliser comme solvant de l'eau liquide surchauffée entre 100 et 200 °C. Pour maintenir l'eau à l'état liquide au-dessus de son point d’ébullition, il est nécessaire d'introduire le milieu réactionnel dans un autoclave fermé et pressurisé. Très répandue en chimie – notamment en synthèse inorganique – cette approche reste néanmoins limitée par l’utilisation d’un milieu réactionnel fermé.
Des chercheurs de l'Institut Fresnel (CNRS/AMU/École Centrale Marseille) ont démontré la possibilité de réaliser des réactions hydrothermales en milieu ouvert, à pression ambiante, sans ébullition jusqu'à plus de 200 °C. De telles conditions expérimentales ont été atteintes à l'échelle microscopique en illuminant des nanoparticules d'or déposées sur un substrat de verre et chauffées localement sous microscope par illumination laser. L'absence d'ébullition jusqu'à 230 °C et la persistance d'un état métastable de l'eau proviennent de l'absence naturelle de centres de nucléation dans les échantillons utilisés.
La réaction chimique étudiée par l’équipe de recherche consiste en la formation de microcristaux d'hydroxyde d'indium à partir d'une solution de chlorure d'indium à 200 °C en milieu aqueux, un cas d'école en synthèse hydrothermale. Outre l'absence d'ébullition de l'eau à 200 °C même à pression ambiante, d'autres effets singuliers ont été mis en évidence et expliqués par les chercheurs, notamment des cinétiques de réaction 1000 à 10 000 fois plus rapides que dans des autoclaves.
Cette nouvelle technique de synthèse chimique offre plusieurs avantages : la possibilité d’y introduire des réactifs pendant la réaction, le milieu restant ouvert, ou encore le suivi de la croissance de cristaux par microscopie. L’expérience, qui s’applique à des réactions chimiques réalisées à de petites échelles, permet par ailleurs de structurer spatialement une croissance inorganique par faisceau laser focalisé sur une surface, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives en micro et nano fabrication.
Image de synthèse représentant des microcristaux obtenus par voie hydrothermale sur un tapis de nanoparticules d'or agissant comme nanosources de chaleur sous illumination laser.
Portrait de Guillaume Baffou (Institut Fresnel), lauréat 2015 de la médaille de bronze du CNRS
Références :
Light-Assisted Solvothermal Chemistry Using Plasmonic Nanoparticles
H. M. L. Robert, F. Kundrat, E. Bermúdez-Ureña, H. Rigneault, S. Monneret, R. Quidant, J. Polleux, and G. Baffou
ACS Omega 1, 2 (juillet 2016)
DOI: 10.1021/acsomega.6b00019