Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Mécanismes atomiques du relargage des ions Ag+ par des nanoparticules d’Ag enrobées en matrice de silice

 

Porteur : M. Benoit (SINanO) et C. Bonafos (NeO)

Participants :
N. Tarrat (SINanO) et A. Mlayah (NeO)

 

Objectifs

Les nanoparticules d’argent (AgNPs) sont largement utilisées dans le secteur de la santé et pour des applications industrielles en raison de leur activité antibactérienne exceptionnelle. Dans des travaux antérieurs menés par l’équipe NeO du CEMES, l’effet toxique des petites AgNPs (taille <20 nm) enrobées dans des couches de silice sur la photosynthèse des algues a été démontré. Cet effet toxique est dû à la libération d’ions Ag+ dans le milieu aqueux, qui s’est avérée très dépendante (i) de la distance à laquelle les AgNPs sont enrobées sous la surface libre de silice et (ii) des propriétés structurales de la silice. L’objectif à moyen terme de cette opération transverse est une optimisation rationnelle de ces nanocomposites avec une approche "safe-by-design". En particulier, afin d’ajuster finement la vitesse de libération d’Ag+ par ces nanocomposites, il est nécessaire de connaître les paramètres clés contrôlant la diffusion des ions à l’intérieur de la matrice de silice. Actuellement, ces mécanismes élémentaires restent inconnus. En modélisant par des calculs ab initio l’interface SiO2/Ag pour différents taux d’hydratation et la diffusion des espèces chimiques impliquées dans les processus de libération d’Ag+, nous pensons pouvoir déterminer les mécanismes élémentaires de diffusion à travers la matrice de silice, c’est-à-dire identifier les facteurs limitant ou favorisant ces mécanismes. En parallèle, une étude expérimentale de l’interface AgNPs/SiO2 (liaisons, facettage) sera menée par HREM, STEM-EDX, STEM-EELS, XPS et FTIR sur des échantillons avant et après immersion dans l’eau. L’effet de la porosité de la couche de couverture en silice sur la libération d’Ag+ sera également sondé par ICP-MS et les défauts présents dans cette couche seront mis en évidence par ESR.

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Echéancier (2017-2018)

Sur le plan théorique :

  • Etude de l’interface AgNPs/ SiO2 : préparation de l’interface à l’aide de calculs de dynamique moléculaire classique + affinement de l’interface au niveau DFT
  • Diffusion des espèces chimiques (H2O, OH-, H3O+, Ag+) à travers la matrice de silice en fonction du pourcentage d’hydratation par dynamique moléculaire ab initio

Sur le plan expérimental :

  • Etude de l’interface AgNPs/matrice (liaisons, facettage) par HREM, STEM-EDX, STEM-EELS, XPS et FTIR.
  • Etude de l’effet de la porosité de la couche de couverture en silice sur la libération d’Ag+ par ICP-MS
  • Etude des défauts de la silice par ESR
  • Mesures TERS

 

Moyens nécessaires

  • Plateformes atom-tech et procédés (implantation ionique),
  • Caractérisation (préparation d’échantillons, MET, optique),
  • Ingénierie (mécanique),
  • Services communs (informatique),
  • Centre de calcul CALMIP.

 

Soutiens contractuels

  • Projet interdisciplinaire du CNRS 2016-2017, Défi « InFIniTI » (MIRAGE)
  • PICS TANGO (CEMES/IPE –CSIC Zaragoza) 2015-2017.