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RÉSUMÉ
Les nanoparticules d'or sont des assemblages de 40 à 30 millions d'atomes d'or, de taille typiquement comprise entre 1 et 100 nm. Depuis quelques temps, elles intéressent fortement la communauté scientifique à cause de propriétés nouvellement découvertes ou mieux appréhendées. Cet article passe en revue ces propriétés dans le domaine de la catalyse, de l'optique avec la résonance de plasmon, de l'électronique, de la biologie et de la médecine. Sont également abordées les principales méthodes de préparation des nanoparticules d'or ainsi que leur toxicité.
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Olivier PLUCHERY : Enseignant-chercheur à l'Université Pierre et Marie Curie (Paris)
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Marie CARRIERE : Ingénieur-chercheur au CEA-Saclay
INTRODUCTION
Les nanoparticules d’or sont des assemblages de quarante atomes à trente millions d’atomes d’or de taille typiquement comprise entre 1 et 100 nm. Depuis une vingtaine d’années elles intéressent fortement la communauté scientifique à cause de propriétés découvertes nouvellement ou mieux comprises. Cet article passe ainsi en revue ces propriétés dans le domaine de la catalyse, de l’optique avec la résonance de plasmon, de l’électronique, de la biologie et de la médecine. On envisage aussi les principales méthodes de préparation des nanoparticules d’or. Leur toxicité est également abordée.
Gold nanoparticles are assemblies from forty atoms up to thirty millions of gold atoms with size ranging from 1 to 100 nm. For twenty years or so, they are the focus of intense research activity because of either newly discovered or better understood properties. This article reviews these properties in catalysis, optics (plasmonics), nanoelectronics, biology and medicine. The main preparation methods are also presented and their toxicity is discussed.
nanoparticules d’or, plasmon, catalyse, thermothérapie, toxicité, nanoélectronique
gold nanoparticles, plasmon, catalysis, thermotherapy, toxicity, nanoelectronics
L’or fascine l’humanité depuis plusieurs millénaires. Une telle fascination n’est pas seulement le fruit de coutumes ancestrales ou de conventions sociales. Le savoir scientifique fournit des éléments d’explication à cet attrait. En effet l’or est le plus connu des métaux que l’on trouve à l’état natif, sous forme de pépites par exemple (avec l’argent, le cuivre et le platine). Les autres métaux, au contraire, sont extraits sous leur forme oxydée et la réduction correspondante nécessite des connaissances de métallurgie qui remontent à l’âge du bronze (2 000 ans avant notre ère environ) et qui n’ont pas cessé d’être perfectionnées au long de l’histoire de l’humanité. Par ailleurs l’or est le seul métal avec le cuivre, à n’être pas gris. Comme de plus, il est chimiquement stable (inaltérable), il garde ses propriétés indéfiniment. C’est pourquoi il est appelé un métal noble. Dès lors on comprend pourquoi l’or est depuis toujours le métal idéal pour la bijouterie. Aujourd’hui encore, sur les 2 500 ou 3 000 tonnes d’or extraites chaque année – auxquelles il faut ajouter plusieurs centaines de tonnes annuelles remises sur le marché ces dernières années – la principale utilisation de l’or reste la bijouterie (2 400 tonnes), suivie de l’électronique avec les contacts électriques (450 tonnes environ) et de la dentisterie (70 tonnes). Cependant cette fascination plurimillénaire pour l’or gagne les scientifiques depuis une vingtaine d’années, mais pour des raisons presque diamétralement opposées. Ce métal, tellement inerte qu’il n’intéressait pas les chimistes, a révélé des propriétés inédites quand il est conditionné à des tailles nanométriques. Les nanoparticules d’or affichent ainsi trois particularités qui sont à l’origine de l’engouement actuel de la communauté scientifique : d’abord elles présentent une meilleure réactivité chimique que des métaux réputés « bons catalyseurs », ensuite les nanoparticules d’or ne sont plus jaunes, et enfin l’or étant biocompatible, les nanoparticules peuvent être utilisées à des fins médicales. Cet article détaillera ces différents aspects, qui mêlent physique, chimie et biologie et illustrent combien ce domaine de recherche dépasse largement les frontières traditionnelles des disciplines. Précisons enfin ce que l’on entend par nanoparticules : ce sont des assemblages d’atomes d’or dont les trois dimensions sont comprises entre le nanomètre et la centaine de nanomètres, c’est-à-dire de quelques atomes à quelques millions d’atomes. Par contre, les films d’or ou les nanofils, dont respectivement une seule ou deux des dimensions sont nanométriques, ne sont pas traités ici. Les nanoparticules peuvent être monocristallines, polycristallines, de forme sphérique ou allongée.
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De l’or massif à l’or nanométrique
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12. Annexe 2. Modèle analytique pour décrire la résonance de plasmon
Les NP métalliques sont de plus en plus utilisées aussi bien pour la recherche fondamentale que pour leurs applications industrielles. Or, vu la taille nanométrique de ces objets, il est souvent délicat d’obtenir par des méthodes de microscopie un diagnostic immédiat sur la taille et sur la quantité de NP. Bien souvent, une méthode de spectroscopie optique par absorption peut fournir des éléments d’information très utiles. Le modèle analytique proposé ici est très simple à mettre en œuvre et permet une première analyse quantitative de spectres d’absorption de suspensions de NP métalliques.
12.1 Modélisation électromagnétique simple
L’électromagnétisme et la résolution des équations de Maxwell dans un milieu caractérisé par sa permittivité diélectrique ε (fonction éventuellement complexe de la pulsation ω de l’onde excitatrice) permet de calculer la propagation des ondes lumineuses dans des milieux massifs, c'est-à-dire des milieux étendus sur des dimensions bien supérieure à la longueur d’onde. Cette permittivité diélectrique rend compte de la déformation du nuage électronique sous l’action du champ électrique de l’onde. Or les ondes de la lumière visible ont des longueurs d’onde comprises entre 450 et 750 nm, c’est-à-dire une centaine de fois plus grande que la taille des nano-objets considérés ici. Par conséquent, la propagation des ondes dans un milieu contenant des NP est fortement contrainte par des effets de bord, qui se traduisent par des conditions aux limites ardues lors de la résolution des équations de Maxwell. Le problème de la diffusion de la lumière par une assemblée de très petits objets a été traité par G. Mie en 1908. La théorie de Mie de la diffusion est relativement complexe mais, dans le cas d’objets de taille bien inférieure à la longueur d’onde lumineuse, on peut considérer que le champ électrique est uniforme sur tout le volume de la NP. C’est l'approximation électrostatique qui permet de modéliser de façon satisfaisante les spectres d’absorption dans la plupart des cas et que nous allons indiquer ici. Cette approximation est aussi appelée approximation dipolaire ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BUFFAT (P.), BOREL (J.P.) - Size Effect on Melting Temperature of Gold Particles - Physical Review A 13 2287-98 (1976).
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(2) - BRAYNER (R.), BARBEROUSSE (H.), HERNADI (M.), DJEDJAT (C.), YEPREMIAN (C.), CORADIN (T.), LIVAGE (J.), FIEVET (F.), COUTE (A.) - Cyanobacteria as Bioreactors for the synthesis of Au, Ag, Pd, and Pt nanoparticles via an enzyme-mediated route - Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7 2696-708 (2007).
-
(3) - PEREZ-JUSTE (J.), PASTORIZA-SANTOS (I.), LIZ-MARZAN (L.M.), MULVANEY (P.) - Gold nanorods : Synthesis, characterization and applications - Coordination Chemistry Reviews 249 1870-901 (2005).
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(4) - TREGUER-DELAPIERRE (M.), MAJIMEL (J.), MORNET (S.), DUGUET (E.), RAVAINE (S.) - Synthesis of non-spherical gold nanoparticles - Gold Bulletin 41 195-207 (2008).
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(5) - SARDAR (R.), FUNSTON (A.M.), MULVANEY (P.), MURRAY (R.W.) - Gold Nanoparticles : Past, Present, and Future - Langmuir 25 13840-51 (2009).
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...
ANNEXES
Or-Nano, Groupe de Recherche du CNRS
World Gold Council, site officiel (en anglais)
Gold Bulletin, the Journal of Gold Science, Technology and Applications (accès gratuit, revue en anglais)
Base de données du World Gold Council (contient des informations économiques notamment)
http://www.gold.org/publications
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Congrès international intitulé « Gold » traitant des recherches scientifiques et des applications de l’or. Le congrès a lieu tous les 3 ans. Gold 2009 a eu lieu en juillet 2009 à Heidelberg (Allemagne). Annonce du congrès relayée sur http://www.gold.org.
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