Emulsions monodisperses solides d’oxydes métalliques (ZnO, TiO2) pour des applications en photocatalyse, photovoltaïque et biodétection

Le but initial de ce projet est de développer des surfaces super-hydrophobes et anti-réfléchissantes à partir de microparticules monodisperses de ZnO déposées à la surface des substrats en verre afin d’optimiser le rendement des panneaux photovoltaïques. Ce projet a été financé en partie par le Programme Hubert Curien (PHC) et a abouti au financement de la thèse en cotutelle (2017-2020) de N. Ghifari entre l’ENS Paris Saclay et l’Université Abdelmalek Essaadi à Tanger avec la publication de trois articles en 2019 et en 2020. 

Dans ce projet, nous avons généré des microparticules sphériques de ZnO monodisperses et obtenu une meilleure compréhension des processus de croissance colloïdale et d’auto-organisation des nanoparticules de ZnO par voie microfluidique, en mettant en évidence le rôle crucial joué par les charges électriques portées par les nanoparticules de ZnO dans la stabilité des gouttelettes, avec ou sans molécules chargées. Elles jouent également un rôle clé tout au long du processus d’assemblage, de la création des nanoparticules colloïdales de ZnO aux microgouttelettes, et enfin aux microsphères. Nous avons également mis en évidence, pour la première fois, une auto-organisation en un réseau carré de microgouttelettes qui révèle le caractère polaire des microgouttelettes de ZnO et corrobore un changement d’équilibre entre les forces motrices contrôlant l’organisation des nanoparticules de ZnO à l’échelle nanométrique. Nous avons proposé différents modèles pour pour expliquer l’organisation interfaciale observée des nanoparticules de ZnO. Un des projets d’application de ces microcapsules monodisperses de ZnO est leur utilisation en tant que photocatalyseurs plasmoniques (PCP). Celui-ci est développé en collaboration avec le Prof. Xuming Zhang de l’Université Polytechnique de Hong Kong et le Prof. Jérôme Claverie de l’université de Sherbrooke. Les photocatalyseurs actuels sont des semiconducteurs inorganiques dont l’ activité est principalement due à l'absorption des UV (2% du spectre solaire). En revanche, des PCP composés de semiconducteurs transparents dans le domaine du visible, (TiO2), et de nanoparticules (NPs) d’or (Au) permettent d’exploiter l'énergie de la lumière visible (50% du spectre solaire). Dans ce projet, nous souhaitons développer des PCP hybrides constitués de NPs d'or et de microcapsules de ZnO (ou de TiO2) parfaitement sphériques, où l'absorption plasmonique peut être étendue sur toute la gamme visible en exploitant les résonances de mode galerie qui ont généralement lieu dans des cavités parfaitement sphériques. 

Deux types d’applications sont visées pour cette nouvelle génération de PCP: la photodissociation de l’eau (production d’hydrogène) et la photosynthèse artificielle (production de glucose à partir de CO2). Ces résultats préliminaires ont été publiés en 2021 dans la revue Nanoscale.

Nous souhaitons également tirer profit des  résonances de mode de galerie (WGM) et plasmonique dans des microcapsules de TiO2 (ou ZnO) décorées avec des nanoparticules d’or pour développer une nouvelle approche de détection ultra-sensible et ultrarapide de (bio)molécules ou de micro-organismes. Avec les WGM, une petite variation de l'indice de réfraction du milieu, due par exemple à la capture de molécules cibles ou de micro-organismes à la surface du résonateur, entraîne un décalage Dl de la longueur d’onde l de résonance, ce qui permet ainsi de détecter et de mesurer d’infimes modifications de la concentration d’analytes cible. Ce projet représente le principal objectif de la thèse en cotutelle de Naheed Hossain qui a démarré en 2021 avec l’Université de Sherbrooke, sous la co-direction du Prof. Jérôme Claverie.