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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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Quelques procédés de synthèse des nanoparticules d’or
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1. De l’or massif à l’or nanométrique
Une des caractéristiques des nanosciences est de faire apparaître des propriétés nouvelles quand la taille d’un objet passe sous une « frontière » de quelques dizaines de nanomètres. Certes cela peut surprendre, car intuitivement, on a tendance à penser que le « tout » doit répliquer les propriétés de ses parties constitutives. Or c’est précisément cette intuition que les nanosciences semblent démentir. Les nanoparticules (NP) d’or fournissent une belle illustration de l’émergence de nouvelles propriétés quand on tend vers les échelles nanométriques. Avant d’entrer plus dans les détails, ce paragraphe souligne trois facteurs qui font émerger de l’échelle nanométrique ces propriétés inattendues : le confinement électromagnétique, la prédominance des effets de surface et enfin les effets quantiques. Le corps de l’article décrira plus en profondeur ces propriétés et les illustrera par des applications.
1.1 Trois effets de l’échelle nanométrique
1.1.1 Prédominance des phénomènes de surface
Dans le cas d’un cristal macroscopique (taille micrométrique ou supérieure), les atomes de surface sont une infime minorité devant les atomes enfouis dans le volume. Ainsi une spécificité des NP provient de ce que le nombre d’atomes de surface n’est plus négligeable devant ceux du volume. Comme l’or cristallise dans un système cubique à face centrée (cfc), chaque atome d’or du volume est entouré de 12 atomes voisins (coordination 12). En revanche, en surface, les atomes de surface sont entourés d’un plus petit nombre de voisins et leurs propriétés changent. Par exemple une NP de 1 nm de diamètre contient une quarantaine d’atomes dont plus de la moitié sont des atomes de surface. Les caractéristiques d’une telle particule seront alors dominées par les propriétés des atomes de surface. En revanche, une particule de 10 nm contient près de 100 000 atomes si bien que le nombre d’atomes de surface devient négligeable. Les atomes de surface sont aussi appelés sites de basse coordination et jouent un rôle essentiel dans les propriétés...
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De l’or massif à l’or nanométrique
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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