Physique des systèmes confinés

Les membres de la thématique "Physique des Systèmes Confinés" (PSC) mènent une recherche pluridisciplinaire entre physique, chimie, voire biologie, impliquant une compréhension fine des phénomènes qui prennent place aux plus petites échelles de taille et de temps qu’on puisse explorer en nanosciences. A l’interface des champs thématiques que sont la science des matériaux, la physique de la matière condensée ainsi que la matière molle et ultra-divisée, ces recherchent visent l’établissement de liens entre l’organisation structurale, les interactions moléculaires, la dynamique et les propriétés physiques spécifiques de ces systèmes. Nous partageons et développons, à ces fins, des approches théoriques et expérimentales adaptées au monde atomique, moléculaire et mésoscopique, avec la particularité de bien souvent modéliser les phénomènes étudiés. Ces recherches s’articulent autour de trois sous-thématiques que sont les "Nanostructures", les "Surfaces et Interfaces fonctionnelles" et les "Phénomènes Ultra-Rapides". Elles répondent à des attentes académiques, souvent suscitées par la réalisation de nouveaux matériaux nanostructurés, par l’obtention de systèmes moléculaires modèles ou par le développement d’approches permettant le suivi de molécules uniques ou l’étude du confinement. Elles ciblent des enjeux sociétaux importants principalement liés à la maîtrise des nanotechnologies dans les domaines de la santé et de l’environnement, des télécommunications et de l’énergie.  

 Les problématiques scientifiques abordées dans les sous-axes sont :

 

Nanostructures

Le confinement structurale, électronique et magnétique est connu pour affecter nombre de propriétés. La quantification de ces phénomènes, délicate en raison des échelles petites, est primordiale pour envisager de nouvelles fonctions et comprendre les phénomènes physiques originaux. Parmi ceux-ci, les acteurs de PSC s'intéresse aux effets du confinement et de la brisure de symétrie dans les nanostructures magnétiques, au rôle de l'anisotropie magnétocristalline (couplage d'échange), ainsi qu'aux propriétés des nanohybrides. Les objets à l'étude sont par exemple des nanoparticules de structure spinelle ou des nano-objets magnétiques fonctionnalisés. Les recherches s'articulent autour des sous-axes suivants : 

- Nanoparticules de structure spinelle

- Couplage d’échanges et ondes de spin dans des nanostructures d’architecture complexe

- Nano-objets magnétiques fonctionnalisés

 

Surfaces et Interfaces Fonctionnelles

La réalisation et l’étude des nanostructures supportées ou confinées par des interfaces, la conception de couches minces ainsi que la fonctionnalisation de surfaces modèles, sont au cœur de nombreuses actions portées par la thématique PSC. Parmi celles-ci, certaines tissent un lien étroit avec les précédentes, de par la grande surface spécifique et son rôle joué au sein des systèmes nanostructurés, ainsi qu’avec celles de l’axe suivant, puisque la dynamique ultra-rapide prend tout particulièrement place au sein des couches minces et aux interfaces. Ces recherches s'articulent autour de trois sous-axes :

- Propriétés des couches minces nanostructurées et relation structure-fonction des interfaces

- Interfaces fonctionnalisées et biocapteurs supportés.

- Exaltation optique et Raman

Phénomènes Ultra-Rapides : échelles de temps et d’espace réduites

L’avènement des sources de lumière ultra-rapide offre depuis 20 ans l’opportunité d’explorer dans le domaine temporel les processus élémentaires fondamentaux qui régissent les propriétés des solides comme les collisions électron-phonon, phonon-spin, le transport d’électrons chauds, le temps de vie des phonons en milieu confiné, etc. Mais étudier ces phénomènes sur des échelles de temps très courtes (100fs-qq ps) permet de surcroît, par l’équivalence temps-espace, de suivre la dynamique dans l’espace réel et donc de remonter par exemple à des paramètres thermodynamiques comme les grandeurs élastiques (vitesse du son, module élastique) à l’échelle nanométrique dans des solides et/ou liquides. Dans ce domaine qui se développe de plus en plus à l’échelle nationale et internationale, et où l’IMMM est un des acteurs centraux, notamment s’agissant de ses connaissances sur les phonons acoustiques cohérents, les chercheurs et enseignants-chercheurs de IMMM se concentrent sur 2 axes principaux qui sont i) l’étude des couplages électrons-phonons-spin dans les solides complexes et ii) l’étude de l’élasticité à l’échelle nanométrique. L’ensemble de ces recherches repose sur l’emploi de technique d’optique ultra-rapide développée depuis 12 ans au Mans et qui, à l’état de l’art, regroupent maintenant 3 bancs d’optique femtoseconde (schéma pompe-sonde) présentant des caractéristiques temporelles, énergétiques ou spectrales complémentaires adaptées aux études décrites ci-dessous. Les probélmatqiues scientifique s'articulent selon deux sous-axes :

- l’étude des couplages électrons-phonons-spin dans les solides

- Etude de l’élasticité à l’échelle nanométrique

 

Quelques réalisations de PSC sont données ci-dessous :

1) Synthesis, Mossbauer Characterization, and Ab Initio Modeling of Iron Oxide Nanoparticles of Medical Interest Functionalized by Dopamine. ( Fouineau J, Brymora K, Ourry L, Mammeri F, Yaacoub N, Calvayrac F, Ammar-Merah S, Greneche JM. Synthesis, Mossbauer Characterization, and Ab Initio Modeling of Iron Oxide Nanoparticles of Medical Interest Functionalized by Dopamine. Journal of Physical Chemistry C. (2013);117:14295-302. )

Nous avons montré pour la première fois que la spectrométrie Mössbauer permet une compréhension quantitative de la façon dont un ligand d’intérêt biologique (la dopamine), peut se lier à la surface des nanoparticules d'oxyde de fer (maghémite). Nous avons mis en évidence que la dopamine se lie de manière préférentielle aux sites octaédriques. Ces résultats sont cohérents avec ceux obtenus par calculs ab initio.


2) AFM circulaire ( Noel O, Mazeran PE, Nasrallah H. Sliding Velocity Dependence of Adhesion in a Nanometer-Sized Contact. Physical Review Letters. (2012);108).

Dans ce travail, nous avons montré que le nouveau mode d’AFM circulé que nous avons développé permet d’inspecter les propriétés rhéologiques/tribologiques à l’échelle nanométrique avec des vitesses variables de déplacements de la pointe.

3) Ultrafast acousto-magneto-plasmonics. ( Temnov VV. Ultrafast acousto-magneto-plasmonics. Nature Photonics. (2012);6:728-36 )

Dans cette revue sont présentées les dernières avancées traitant des couplages ultra-rapides magnéto-plasmoniques (manipulation des plasmons, guidage, couplage) avec une ouverture vers des processus plus complexes (riches) impliquant le couplage avec les phonons acoustiques.

4) Giant ultrafast photo-induced shear strain in ferroelectric BiFeO3. (  Lejman M, Vaudel G, Infante IC, Gemeiner P, Gusev VE, Dkhil B, Ruello P. Giant ultrafast photo-induced shear strain in ferroelectric BiFeO3. Nature Communications. (2014);5).

Dans ce travail, nous avons montré que les matériaux ferroélectriques (BiFeO3) pouvaient être de nouvelles sources de phonons acoustiques (LA, TA) cohérents dans le domaine 10-50GHz.  L’éfficacité de ce couplage repose sur un couplage électron-phonon via le processs piézoélectrique inverse selon notre analyse.

Faits-Marquants CNRS Institut de Chimie INC 2014.

5) Brevet sur les plots plasmoniques

Developpement de surfaces métalliques multi-structurées avec des architectures nanométriques contrôlées pour étudier les modifications des fréquences de resonance des plasmons polaritons de surface (SPP)  Inventeurs : M. Edely, N. Delorme, J.-F. Bardeau

 Demande de brevet d’invention français déposée en décembre 2014 - N° de dépôt : 1461880

 


 

 

 

Par Pascal Ruello, Nader Yaacoub, Guillaume Brotons (pascal.ruello @ univ-lemans.fr)

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