Patchy silica nanoparticles : optimization of their synthesis and assembly, and in situ observation

Cette étude porte sur l’auto-assemblage de nanoparticules de silice à patchs cavitaires en vue d’obtenir de nouvelles molécules colloïdales. Dans un premier temps, les briques élémentaires, à savoir des particules à patchs et des particules satellites ont été synthétisées. Ce travail s’est focalisé sur des particules à quatre patchs dont la pureté morphologique a été améliorée tant par l’optimisation de la fonctionnalisation de surface des germes utilisés lors de l’étape de polymérisation ensemencée que par une étape de purification par centrifugation en gradient de densité. Des molécules colloïdales constituées d’une particule à patchs entourée de nanoparticules satellites en nombre contrôlé ont été obtenues par assemblage covalent. La chimie d’assemblage a été simplifiée en réduisant le nombre d’étapes de fonctionnalisation aussi bien pour les chaînes de polystyrène ancrées au fond des cavités que pour la surface des particules satellites. Des molécules colloïdales imitant des molécules d’eau ont pu être fabriquées en ajustant le rapport entre le nombre de particules satellites et le nombre de cavités. La taille nanométrique des particules mises en jeu empêche leur observation par microscopie optique. C’est pourquoi ces travaux ont également porté sur le développement expérimental de la technique de microscopie électronique en transmission en voie liquide dans le but ultime d’observer la dynamique d’assemblage des briques élémentaires.This study deals with the self-assembly of dimpled patchy particles to get new colloidal molecules. First, building blocks – patchy silica nanoparticles and satellite particles - were synthesized. This work was focused on particles bearing four patches whose morphological purity was increased not only by optimizing the surface functionalization of the seeds used during the seeded growth emulsion polymerization stage, but also by purification by density gradient centrifugation. Covalent chemistry allowed obtaining colloidal molecules consisting of a four-patch particle surrounded by controlled number of satellite nanoparticles. The chemical pathway was simplified by reducing the number of functionalization steps for the polystyrene chains anchored at the bottom of the dimples and for the surface of the satellite particles. Colloidal molecules whose morphology mimics that of water molecules were fabricated by adjusting the ratio between the number of satellite particles and the number of dimples. Due to the sizes of the particles involved, dynamics of assembly cannot be followed by optical microscopy. This is why the technique of transmission electron microscopy in liquid phase was also investigated