Etude expérimentale des mécanismes de nucléation et croissance

11 septembre 2025

Nous avons synthétisé des nanoparticules d’Ag (AgNPs) en phase gazeuse et étudié l’effet de faibles quantités de gaz réactifs sur leur formation. Des analyses en microscopie électronique en transmission à résolution atomique et par spectroscopie optique in situ montrent qu’une faible fraction d’O₂ dans le plasma (moins de 0,5 %) permet d’augmenter de manière significative la densité par unité de surface des AgNPs formées, grâce à un processus de nucléation induite par les ions. Ces résultats éclairent le rôle des gaz réactifs dans la nucléation de NPs en phase gazeuse.

Les nanoparticules d’argent (AgNPs) suscitent un grand intérêt en raison de leurs propriétés optiques et antimicrobiennes remarquables. L’argent est connu depuis l’Antiquité pour son action antibactérienne, principalement liée à l’effet bactéricide des ions Ag⁺ qui agissent de manière complexe au sein des cellules vivantes. Les nanoparticules d’argent sont des agents antimicrobiens particulièrement efficaces grâce au fort rapport surface/volume qui les caractérise, favorisant les interactions avec le milieu environnant. Ainsi elles sont capables de libérer de façon continue une quantité significative d’ions sur de longues durées.

Si plusieurs méthodes existent pour fabriquer ces nanoparticules – voie chimique, impliquant des ligands, ou approche physique, produisant des particules extrêmement pures – le contrôle simultané de leur taille et de leur densité demeure un défi majeur. La synthèse en phase gazeuse apparaît alors comme une alternative attractive, offrant une maîtrise fine et indépendante de ces paramètres, mais son optimisation nécessite de bien comprendre les mécanismes de nucléation et de croissance.

Au CEMES, nous avons étudié l’influence de gaz réactifs, en particulier l’azote (N₂) et l’oxygène (O₂), sur la formation de nanoparticules d’argent en phase gazeuse dans un bâti de croissance sous ultra-vide. Nos résultats montrent que l’azote joue essentiellement le rôle de gaz porteur et n’affecte que très peu, voire pas, la nucléation des AgNPs. En revanche, l’introduction de traces d’oxygène (<0,5 %) dans la chambre d’agrégation accroît considérablement le taux de nucléation.Images TEM d’AgNPs synthétisées en phase gazeuse sous différentes atmosphères : (à gauche) en utilisant uniquement de l’argon, sans gaz additionnel ; (à droite) avec une concentration en oxygène de 0,18 %. Au centre, schéma illustrant le mécanisme de nucléation impliqué en présence d’oxygène.

Des analyses structurales par microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM) ainsi qu’en mode balayage couplé à la spectroscopie dispersive en énergie des rayons X (STEM-EDX) ont confirmé que, malgré la présence d’O₂ durant le dépôt, les nanoparticules conservent leur caractère métallique, sans signe d’oxydation. Des mesures in situ par spectroscopie d’émission optique ont révélé une nette augmentation de la concentration d’espèces d’argent excitées, signatures des ions Ag⁺ dans le plasma. Ces observations démontrent que l’oxygène joue un rôle déterminant en favorisant un mécanisme de nucléation induit par les ions.

Ces résultats apportent un éclairage essentiel sur la dynamique de nucléation en phase gazeuse et soulignent l’importance des espèces réactives pour le contrôle de la synthèse des nanoparticules métalliques.

Contacts :
Salomé Trillot | salome.trillot[chez]cemes.fr
Patrizio Benzo | patrizio.benzo[chez]cemes.fr
Caroline Bonafos | caroline.bonafos[chez]cemes.fr

Publication :
Role of nitrogen and oxygen in the nucleation and growth of silver nanoparticles in gas-phase synthesis
S. Trillot, P. Benzo, S. Barre, N. Tarrat, M. Benoit, K. Makasheva, and C. Bonafos
Nanoscale 17 (2025) 16796
DOI : https://doi.org/10.1039/D5NR01526J