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Institut de science des matériaux

"Je souhaite recruter un étudiant de M2 pour élaborer et caractériser une série d’agrégats de cuivre en créant une banque d'agrégats"

Entretien avec Hélène Gérard, porteuse de projet, du Laboratoire de Chimie Théorique.

Projet

Titre : Modéliser pour maîtriser les étapes de réduction/nucléation pour la synthèse de Nanoparticules de cuivre métalliques

Appel à projet : bourse exploratoire, 2020

Axe thématique : Énergie, environnement et durabilité

Laboratoire

Entretien

Vous avez déposé votre projet dans l'axe thématique "Énergie, environnement et durabilité". Plus précisément, quelle est le sujet de votre recherche ?

Ma recherche porte sur la description, par des méthodes de modélisation moléculaire, de la structure, des propriétés et de la réactivité d’espèces inorganiques ou organométalliques dans des environnements complexes. Plus particulièrement, ce projet vise à décrire les espèces impliquées dans des processus de synthèse de nanoparticules métalliques : les étapes de réduction, nucléation et croissance. Dans le cas du cuivre, ces étapes sont fortement couplées entre elles par des phénomènes d’auto-catalyse, et sont réversibles, ce qui les rend également importantes lorsque ces nanoparticules sont utilisées pour leurs propriétés catalytiques. Un point crucial du projet est donc la mise au point modèle des nucléi de cuivre, qui sera en fait un petit agrégat de cuivre en présence de ligands voire d’ions, suffisamment réaliste pour reproduire correctement la réactivité de ces espèces dans les milieux complexes où se fait la réactivité.

C’est l’utilisation du cuivre, un métal abondant et plutôt peu toxique, et la possibilité d’utiliser les nanoparticules de Cu en catalyse d’hydrogénation du CO2 qui justifie  le rattachement à l’axe thématique "Énergie, environnement et durabilité".

Quelle est l'origine de votre projet ? (sa motivation, son histoire)

L’étude d’agrégats organométallique est une thématique de longue date de l’équipe, de même que la chimie d’oxydo-réduction du Cuivre. Mais jusqu’à récemment la fiabilité des méthodes théoriques n’était pas suffisante pour s’atteler à l’étude d’espèces qui ne peuvent pas être complètement caractérisées expérimentalement, ce qui est le cas des nucléi étudiés ici. Avec les progrès récents à la fois des méthodes et des moyens de calculs, ce type de thématiques est devenue accessible… c’est ce qui a été vérifié durant ces trois dernières années dans le cadre de la thèse de M. Guillaumont. Les éléments qui doivent être incorporés dans le modèle ont été clairement identifiés, il reste maintenant à mettre en œuvre la stratégie de modélisation. Ainsi, la chimie théorique deviendra une méthode de choix pour la description et la caractérisation de ces espèces, qui sont extrêmement fugaces.

Existait-il déjà des collaborations entre vos laboratoires ? que vous apporte-t-elle ?

La modélisation par le calcul des nucléi est en fait un travail à l’interface entre deux communautés. Il y a bien évidemment un échange avec les expérimentateurs qui synthétisent et utilisent les nanoparticules, et sont amenés à caractériser expérimentalement les différentes espèces en présence. D’autre part, le calcul d’agrégats métalliques  reste un défi d’un point de vue théorique, car il faut allier la précision et la grande taille : la réalisation d’une telle étude nécessite le support des équipes de développement méthodologique. Les collaborations avec des équipes dans ces deux domaines ont été initiées mais elles doivent être renforcées pour conduire à des résultats concrets.

Quels serait le but à atteindre, l'accomplissement ? et des applications ?

Notre but est de comprendre comment la présence d'un nucléus de cuivre modifie la stabilité relative des différentes espèces impliquées dans le processus redox et leur réactivité les unes vis-à-vis des autres. Avec un telle compréhension, on peut espérer faire du « design moléculaire », et adapter les procédures réactionnelles pour diriger la réactivité dans le sens désiré pour leur amélioration.

Comment pensez-vous dépenser la bourse exploratoire de l'iMAT ? en quoi pourra-t-elle vous soutenir dans votre projet ?

Je souhaite recruter un étudiant de M2, qui pourra élaborer une série d’agrégats de cuivre et caractériser leurs propriétés électroniques et de réactivité vis-à-vis de la coordination de ligands ou de complexes métalliques. Cette « banque » d’agrégats pourra être utilisée dans deux directions par la suite. Sur le plan théorique d’une part, ils serviront d’étalons pour développer des méthodes moins coûteuses en temps de calcul, qui donneront accès à des nucléi plus grands, ou  à leur étude en présence de solvant. Sur le plan catalytique d’autre part, ils seront utilisés comme substrat pour étudier les réactions d’intérêt expérimental : réduction des précurseurs de cuivre (auto-catalyse), activation de petites molécules.

20/11/20

Traductions :