Cette photo montre Kristina Kvashnina et Pieter Glatzel préparant une expérience sur la ligne de lumière ESRF ID26 où les expériences ont été menées. Crédit :ESRF/A. Molyneux
Un nouveau chapitre s'est ouvert dans notre compréhension de l'activité chimique des nanoparticules, selon une équipe de scientifiques internationaux. À l'aide des faisceaux de rayons X du Synchrotron européen ESRF, ils ont montré que les électrons absorbés et libérés par les nanoparticules de dioxyde de cérium lors de réactions chimiques se comportent d'une manière complètement différente de ce que l'on pensait auparavant :les électrons ne sont pas liés à des atomes individuels mais, comme un nuage, se répartissent sur l'ensemble de la nanoparticule. Inspiré par la similitude de sa forme, les scientifiques appellent cette distribution spatiale des particules une « éponge à électrons ». Les résultats ont été publiés le 12 novembre dans la revue ACS Nano .
L'équipe de scientifiques était dirigée par Pieter Glatzel du Synchrotron européen (ESRF) à Grenoble (France) et Victor Puntes de l'Universitá Autònoma de Barcelone, Institut Catalan des Nanotechnologies (Espagne). Le premier auteur est Jean-Daniel Cafun de l'ESRF.
Aujourd'hui, Les nanoparticules de dioxyde de cérium sont largement utilisées dans les procédés industriels et également dans les produits de consommation. Ils sont présents, par exemple, dans les parois des fours autonettoyants et agissent comme catalyseur d'hydrocarbures pendant le processus de nettoyage à haute température. Ils sont également un candidat de choix pour la prochaine génération de batteries lithium-ion qui afficheront des tensions plus élevées et une plus grande capacité de stockage par rapport aux cellules énergétiques actuelles.
L'élément cérium est abondant dans la croûte terrestre et peut facilement être extrait et purifié. Cependant, sans une compréhension approfondie des processus chimiques qui se produisent à la surface des nanoparticules de dioxyde de cérium, il est impossible d'optimiser leur utilisation actuelle et future. Et pour résoudre un problème plus complexe, il est également impossible d'évaluer les limites de leur utilisation en toute sécurité.
Il s'agit d'une image des nanoparticules de CeO2 de 3 nm prises avec un microscope électronique à transmission. Crédit :ESRF
La plupart des réactions chimiques impliquent le transfert d'un électron d'un atome à un autre. Autrefois, on croyait que les électrons impliqués dans une réaction chimique à la surface d'une nanoparticule étaient localisés dans l'un des atomes à la surface. Pour déterminer le comportement des électrons au cours de la réaction, les scientifiques ont utilisé les faisceaux de rayons X intenses de l'ESRF pour sonder des solutions de nanoparticules dans l'eau et l'éthanol. Les nanoparticules avaient un diamètre de 3 nm et étaient constituées de plusieurs milliers de molécules de dioxyde de cérium.
On sait que les nanoparticules peuvent changer de comportement sous vide lorsqu'elles sont étudiées au microscope électronique, par exemple. Les scientifiques ont donc mené leur expérience dans des conditions réalistes, étudier les nanoparticules en solution et en temps réel au fur et à mesure de la réaction chimique. "Il n'a été possible de mener ces expériences que dans un liquide plutôt que sous vide car nous avons utilisé des rayons X comme sondes pour la distribution des électrons." dit Jean Daniel Cafun.
Dans leur expérience, les scientifiques ont réussi à observer la création des nanoparticules en solution puis comment ces nanoparticules ont éliminé des molécules très réactives (espèces réactives de l'oxygène, ou ROS) de la solution. Ce processus d'élimination imite le rôle d'une enzyme importante dans les organismes vivants - la catalase - qui protège les cellules de ces molécules agressives. Les patients cancéreux subissant une radiothérapie ont des niveaux élevés de ROS dans leur corps et des nanoparticules de cérium ont été proposées comme moyen de réduire les niveaux de ROS et ainsi d'atténuer les impacts négatifs de la thérapie sur les patients. Tout au long de la réaction chimique, la structure électronique des atomes de cérium et donc la redistribution du nuage d'électrons ont été suivies. "Il est crucial de pouvoir étudier les processus chimiques des particules dans un environnement proche des conditions rencontrées dans les systèmes biologiques." souligne Victor Puntes.
« Les scientifiques discutent de la question :que se passe-t-il lorsque des électrons sont ajoutés aux nanoparticules d'oxyde de cérium ? Le travail de Cafun et al. est une étude clé car il questionne le présent, modèle largement accepté et conduira la recherche dans une nouvelle direction." déclare Frank de Groot, un expert en nanomatériaux de l'Université d'Utrecht qui n'a pas participé à l'expérience.
L'étape suivante, qui a déjà été initié, sera d'évaluer si les électrons non localisés sont une propriété du dioxyde de cérium uniquement ou également d'autres nanoparticules largement utilisées comme le dioxyde de titane. "En parallèle, chemists have to revisit their theoretical models to explain the chemical behaviour of nanoparticles and to better understand how electrons are transferred in chemical reactions taking place on their surface." concludes Pieter Glatzel.
