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Généralités sur les nanoparticules de ZnO
L’essor de la nanotechnologie a apporté à l’étude des nanoparticules (NPs) un nouveau potentiel et une perspective plus large de ce que les scientifiques peuvent accomplir grâce à la manipulation de matériaux à l’échelle nanométrique. En conséquence, l’utilisation de différents nanomatériaux (NMs) a révolutionné le monde avec l’amélioration du rendement industriel avec des matériaux éco énergétiques et rentables. Les nanostructures métalliques et d’oxyde métalliques ont montré un grand potentiel en raison de leur rapport surface/volume élevé et de leur grande réactivité. Parmi eux, l’oxyde de zinc (ZnO) a révélé une applicabilité plus large, y compris en nano-médecine, dans la production et la conservation d’énergie, dans l’agriculture, le cosmétique etc. Cette partie présente d’abord une brève définition et classification des termes nanotechnologiques qui seront utilisés tout au long de cette étude. Ensuite les propriétés physico-chimiques et biologiques des NPs de ZnO, ainsi que leur morphologie y sont décrites brièvement.
Définitions
Le préfixe « nano- » composant des mots nanoparticules et nanomatériaux est dérivé du Grec ancien « nanos » qui signifie un objet dont la taille est inférieure à la normale. Aujourd’hui, un nanomètre (nm) est un système international d’unités(SI) qui représente 10⁻⁹ mètres en longueur. Dès lors, les objets ayant une taille comprise entre 1 et 100 nm sont considérés comme nanoparticules (NPs) [12, 13]. Par ailleurs, la définition de nanomatériaux n’est pas universel car mettant en évidence une distinction entre l’étude scientifique et la technologie. Selon cette dernière, les nanomatériaux sont définis comme des matériaux dont la taille des blocs constitutifs individuels est inférieure à 100 nm. Cette définition est assez confortable, car elle ne nécessite pas de réflexion plus approfondie sur les propriétés et les applications. Par contre la définition basée sur l’étude scientifique des nanomatériaux est plus restrictive. Elle considère que les nanomatériaux sont des objets dont les propriétés dépendent intrinsèquement des constituants ayant leurs dimensions à l’échelle nanométriques [14]. En outre, l’Organisation internationale de normalisation (ISO) a défini les nanomatériaux comme «matériau ayant une dimension externe à l’échelle nanométrique ou ayant une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique».
Propriétés physico-chimiques et applications des NPs de ZnO
À l’échelle nanométrique, des changements de taille et de forme se produisent en raison de l’augmentation du rapport surface/volume (fig. 2) affectant ainsi les propriétés physiques des matériaux. En effet, lorsque la taille des particules diminue, un grand nombre d’atomes constitutifs peuvent être trouvés autour de leur surface. Ce phénomène rend les particules hautement réactives avec de nouvelles propriétés physiques et chimiques intéressantes. Alors les nanoparticules d’un matériau donné peuvent présenter alors des propriétés assez améliorées que celles de leurs homologues macroscopiques.
Les NPs de ZnO appartiennent à la classe des nanomatériaux d’oxydes métalliques inorganiques. Le ZnO est un semi-conducteur II–VI aux propriétés attractives bien connu : effet piézoélectrique le plus élevé (e33 = 1,2 C/m2 ); une énergie de liaison d’exciton élevée (Ei = 60 meV à 300 K); une large bande de gap (3,37 eV à 300 K); un module de cisaillement (~ 45,5 GPa) supérieur au Séléniure de zinc (ZnSe) (18,35 GPa) et l’Arséniure de gallium (GaAs) (32,6 GPa) [17]. Avec ces propriétés, le ZnO peut tolérer de grands champs électriques, des températures élevées et des opérations à haute puissance [18]. Le ZnO possède également une conductivité thermique très élevée (σ = 0,54 W.cm-1 .K-1 ) d’où son utilisation dansla technologie des nanofluides pour améliorer le transfert de chaleur des fluides de base comme l’eau, le glucole etc. [19, 20]. En raison sa capacité théorique exceptionnelle élevée (978 mAhg−1 ), les NPs de ZnO sont largement utilisées pour le stockage de l’énergie dans les batteries [21]. D’autre part, la structure cristalline centrosymétrique du ZnO lui confère des propriétés piézoélectriques et le rend applicable aux résonateurs à ondes acoustiques et aux modulateurs acoustique-optiques [22]. Le ZnO présente aussi une large gamme d’applications biomédicales. En effet, les NPs de ZnO ont montré un grand potentiel sur des interactions efficaces avec les membranes biologiques et présentant des comportements antibactériens et/ou anticancéreux [23]. Du point de vue économique et environnemental, les NPs de ZnO présentent un intérêt considérable car elles sont peu coûteux, sûrs et peuvent être préparés facilement [24]. D’ailleurs, l’oxyde de zinc (ZnO) a été généralement reconnu comme composé sûr“Generally Recognized as Safe” (GRAS) par l’administration américaine des aliments et des médicaments (FDA) « Food and Drug Administration » et il présente une toxicité minimale pour l’homme [25].
Structure cristallographique et morphologie des NPs de ZnO
La structure est composée de deux sous-réseaux hexagonaux fermés, dans lesquels chacun est constitué d’un type d’atome (Zn ou O) déplacé l’un par rapport à l’autre le long du triple axe c. Cela peut s’expliquer schématiquement comme un certain nombre de plans alternés et empilés couche par couche selon la direction de l’axe c et composés d’ions Zn2+ et O2- coordonnés tétraédralement. Cette coordination tétraédrique du ZnO lui confère sa structure non centrosymétrique. En outre, dans sa structure hexagonale de Wurtzite du ZnO, chaque anion est entouré de quatre cations aux coins du tétraèdre, ce qui montre la coordination tétraédrique et présente donc la liaison covalente sp3 [22].
En effet la polarisation spontanée du ZnO le long de l’axe c conduit à la formation commune de structures unidimensionnelles (1D) qui sont des prismes hexagonaux, étendus selon la direction (0001) et présentant des facettes (1010) et/ou (1120) sur les côtés [30]. En particulier, des espèces ioniques spécifiques peuvent préférentiellement s’adsorber sur le plan (0001), stabilisant la charge de surface. En conséquence, la croissance le long de la direction [0001] est fortement diminuée, tandis que les taux de croissance cristalline le long des directions latérales sont plus rapides conduisant à la formation conséquente de structures bidimensionnelles (2D). Cependant, un taux de croissance isotrope issue la stabilité énergétique de la nanostructure globale conduit la formation de structure tridimensionnelles (3D) [31, 32]. En raison de ses vastes domaines d’application, diverses nanostructures de ZnO ont été fabriquées, notamment des nanotiges et des nano-fils à 1D, nanodisques et nano-feuillets à 2D, nano-sphères et nano-fleurs à 3D et d’autres architectures hiérarchiquement complexes.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Synthèse bibliographique
1. Généralités sur les nanoparticules de ZnO
2.1. Introduction
1.1. Définitions
1.2. Propriétés physico-chimiques et applications des NPs de ZnO
1.3. Structure cristallographique et morphologie des NPs de ZnO
2. Synthèse et applications des nanopoudres d’oxyde de Zinc (ZnO)
2.2. Théories sur la synthèse des NPs
a. La nucléation
b. La croissance
2.3. Méthodes traditionnelles de Synthèse de nanopoudres de ZnO
a. Technique hydrothermale
b. Technique sol-gel
c. Techniques de Coprécipitation
d. Techniques d’ablation au laser
e. Technique de Dépôt Chimique en phase Vapeur (CVD pour « Chemical Vapor Deposition »)
3. Biosynthèse des nanopoudres de ZnO
3.1. Portées de la biosynthèse (synthèse verte)
3.2. Biosynthèse des NPs de ZnO à l’aide d’extraits de plantes
a. Protocole de biosynthèse des NPs de ZnO
b. Mécanisme proposé pour la formation des NPs de ZnO biosynthétisées
c. Mécanisme via la formation d’un complexe
d. Mécanisme via une réduction chimique
3.3. Plantes courantes utilisées dans la biosynthèse des nanoparticules de ZnO et l’origine probable de leur choix
a. Types de plantes et le rôle de leurs éléments actifs
b. Choix sur les coques d’arachides
3.4. Formation de différentes nanostructures de ZnO à l’aide de différents extraits de plante
3.5. Facteurs agissants sur la synthèse des NPs de ZnO par les extraits de plantes
a. Nature et concentration de l’extrait de plante
b. pH du mélange réactionnel
c. Température d’incubation
d. Potentiel électrochimique des ions métalliques
4. Conclusives remarques
Chapitre II : Techniques Expérimentales de Caractérisation
1. Introduction
2. Caractérisation des nanoparticules biosynthétisées par microscopie électronique (ME)
2.1. Microscopie électronique à transmission (MET)
a. Mécanisme et principes de la MET
b. Mode image et mode diffraction
c. Mode HR-MET (Microscopie Electronique de Transmission en mode Haute Résolution)
d. Mode METB (Microscopie Electronique à Transmission en mode Balayage)
e. MET analytique
2.2. Microscopie électronique à balayage (MEB)
a. Mécanisme et principes de la MEB
b. Origines de la formation des images
2.3. Avantages et limites de la microscopie électronique
3. Caractérisation des NPs par les techniques de la spectroscopie
3.1. Spectroscopie d’absorption ultraviolette visible (UV-Vis)
a. Principe de base d’UV-Vis
b. Instrumentation et technique de caractérisation de la méthode UV-Vis
3.2. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
a. Principe de base du FTIR
b. Instrumentation et technique de caractérisation
c. Caractérisation des NPs par la méthode FTIR
3.3. Spectroscopie Raman
a. Principe de base de la spectroscopie Raman
b. Instrumentation et technique de caractérisation
c. Caractérisation des NPs par la spectroscopie Raman
4. Caractérisation des NPs biosynthétisées par diffraction des rayons X
4.1. Bases fondamentales de la diffraction des rayons X
4.2. Instrumentation et technique de caractérisation
4.3. Caractérisation des NPs par diffraction des rayons X
5. Caractérisation des NPs par Analyses Thermogravimétrique (TGA) et Analyse Thermique différentielle (ADT)
5.1. Définition et principe de l’analyse thermogravimétrique
5.2. Instrumentation et technique de caractérisation de l’ATG
5.3. Définition et principe de l’Analyse Thermique Différentielle (ADT)
5.4. Instrumentation et technique de caractérisation de l’ATD
5.5. Caractérisation des NPs par ATG
6. Caractérisation des NPs biosynthétisées par analyse de surface spécifique (BET)
6.1. Principe de la méthode Brunauer – Emmett – Teller (BET)
6.2. Instrumentation et technique de caractérisation de la Méthode Brunauer – Emmett – Teller (BET)
6.3. Caractérisation des NPs par la méthode BET
7. Conclusives remarques
Chapitre III : Biosynthèse des nanoparticules de ZnO à partir de coquilles d’Arachis Hypogaea (coques d’arachide)
1. Introduction
2. Protocole générale de la biosynthèse des nanoparticules de ZnO
2.1. Préparation de l’extrait de colorant de coques d’arachides
2.2. Biosynthèse des nanoparticules de ZnO
3. Caractérisations structurales et morphologiques des nanoparticules de ZnO
3.1. Méthode de Caractérisation
a. Diffraction des rayons (DRX)
b. Microscopie électronique à balayage (MEB)
c. Spectroscopie Raman
d. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
e. Analyse gravimétrique thermique
3.2. Résultats et Discussion
a. Diffraction des rayons (DRX)
b. Microscopie électronique à balayage (MEB)
c. Spectroscopie Raman
d. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
e. Analyse gravimétrique thermique
4. Hypothèses sur le mécanisme de la formation des nanoparticules de ZnO
4.1. Composant bioactifs présent dans les coques d’arachides
4.2. Analyse FTIR des coques d’arachide
4.3. Probable rôle des coques d’arachides dans la formation du ZnO
5. Conclusive remarques
Conclusion générale
