Le département D2 regroupe les équipes : "Plasmonique, Raman Exalté de Molécules en Surface" (PREMS), "Ingénierie des Molécules et Matériaux" (I2M) et "Nanomatériaux pour l’Energie, l’Environnement et la Catalyse" (NE2C). Les thématiques développées s’articulent autour de la mise en œuvre et de la caractérisation de nano-objets (particules, matériaux hybrides organique-inorganiques, réseaux 2D de particules, ...) pour différentes applications à l’interface de la physique, de la chimie et de la biologie.
Les méthodes de synthèse mises en œuvre sont multiples et complémentaires : chimie douce, voie bio-assistée ou encore lithographie électronique. Elles conduisent à l’obtention de nanomatériaux et arrangements de nature, taille et forme variées.
Le département dispose de différentes techniques d’analyses physico-chimiques dont certaines équipes sont spécialistes, telles que les microscopies en champ proche ou la diffraction des rayons X.
Attachés en amont au côté fondamental de leurs recherches, les membres du département nano-objets sont également très intéressés par les applications à forte visée sociétale des objets qu’ils préparent comme en témoignent les nombreuses collaborations initiées tant au niveau local, que national et international.

Axe A.1. Elaboration de nanostructures par voie physique, chimique et bio-assistée.
Au sein du département, sont regroupées de multiples compétences en synthèse de matériaux à l'échelle nanométrique.
• Méthodes de chimie douce :
La méthode polyol initiée par F. Fiévet est développée pour la préparation de métaux, oxydes, chalcogénures, C-dots. Les axes de recherche portent aussi bien sur les aspects fondamentaux de compréhension des mécanismes de nucléation et de croissance que sur le développement d’objets à façon pour les domaines de l’énergie, la catalyse, le magnétisme, le biomédical.
Un nouveau procédé de synthèse de nanoparticules cœur-coquille or-argent a également été mis au point avec la possibilité d'aller vers des structures bi- et tri-dimensionnelles organisées, prometteuses de par leurs propriétés optiques.
• Méthodes bio-assistées :
Des nanoparticules métalliques sont obtenues par réduction intra-cellulaire de sels métalliques via une voie enzymatique faisant intervenir l’hydrogénase et/ou la nitrogénase de microalgues et cyanobactéries. Une partie des particules formées est relarguée dans le milieu de culture. Elles sont alors stabilisées en raison de leur enrobage par des exo-polysaccharides.
• Lithographie :
En combinant des compétences en lithographie électronique et en chimie des surfaces, il a été possible d'accéder à des réseaux de particules lithographiques présentant un cœur métallique et une coquille d'oxyde. Les substrats obtenus par cette stratégie originale sont de bons candidats pour contrôler les exaltations de fluorescence ou Raman de molécules sondes, grâce au contrôle de l’épaisseur de la silice entourant la structure d’or.

Axe A.2. Fonctionnalisation

Le Département démontre une solide expertise en fonctionnalisation de surface de nanoparticules par des agents de couplage qui sont essentiellement des organosilanes, des phosphonates et des sels de diazonium pour apporter une fonctionnalité différente en surface ou qui jouent le rôle d’amorceur de polymérisation pour permettre la croissance de chaînes de polymère (ou oligomères) à partir de la surface (SI-ATRP). Ceci a notamment permis de :
- augmenter la miscibilité de nanoparticules dans des matrices de polymère, biopolymères ou encore polymères conducteurs ;
- coupler des films de polymères thermosensibles (ex : PNIPAM) contrôlés en épaisseur autour de structures plasmoniques ;
- fonctionnaliser des bâtonnets d’or par des sels de diazonium, spécifiquement à leurs extrémités ;
- étudier les propriétés optiques de structures plasmoniques hybrides recouvertes d’un photopolymère greffé sous excitation plasmon.
L’expertise du département s’étend aussi à l’étude de la nature de la liaison chimique entre agents de couplage et nanoparticules par des études à la fois expérimentales et numériques (dynamique moléculaire, calcul ab initio….).

Axe A.3. Organisation et mise en forme

Le Département D2 possède aussi des compétences de mise en forme de matériaux inorganiques et hybrides organiques-inorganiques (essentiellement polymères-nanoparticules) sous forme de nanostructures lithographiées ou consolidées, de films minces ou de colloïdes, grâce à l’utilisation d’outils adaptés à chaque échelle :
- Assemblage contrôlé en solution de nanobâtonnets d’or, en dimères stables, et leur encapsulation dans une coquille de silice pour les stabiliser.
- Auto-organisation de nanoparticules d’or dans des matrices cristaux liquides : propriétés optiques anisotropes par formation de chaînes linéaires de particules sphériques.
- Dépôt de phases liquides par dip- et spin-coating ou par coulage (tape casting ou technique doctor blade), éventuellement suivi d’un traitement thermique ou d’une électropolymérisation sur une électrode d’ITO pour l’obtention de films hybrides auto-supportés de polymères contenant des nanoparticules (Erreur : source de la référence non trouvée).
- Frittage Flash (Spark Plasma Sintering, SPS) réactif ou pas pour obtenir des céramiques, composites ou métaux denses et nanostructurés, pour des applications magnétiques, magnétocaloriques ou multiferroïques.
- Dépôt de nanobâtonnets d’or colloïdaux dans des trous lithographiés de dimensions variées, en couplant la lithographie électronique à la fonctionnalisation de surface permettant l’élaboration des boîtes à points chauds contrôlées en taille, dans le but d’effectuer des expériences par spectroscopie Raman exaltée de surface.

Axe B.1. Influence de la micro-structure, de la morphologie et des interfaces sur les propriétés magnétiques

Une partie des activités de recherche du D2 est tournée vers l'étude des propriétés magnétiques de nanostructures préparées par chimie douce, qu'il s'agisse de métaux, d'oxydes ou de composites granulaires. Ces études sont réalisées en essayant de corréler propriétés magnétiques et propriétés micro-structurales.
Ces recherches ont conduit à :
- la mise au point de substrats granulaires pour l’enregistrement magnétique haute-densité, le bit d’information étant construit à partir de nanoparticules hybrides à forte anisotropie magnétique. Il a été montré que la modulation des interactions dipolaires peut être réalisée via la fonctionnalisation de leur surface par des brosses de polymère ().
- l'élaboration de nouveaux aimants permanents, les nano-objets magnétiques préparés servant de briques élémentaires. Cette préparation s'effectue à partir de la consolidation contrôlée de nanoparticules ferro- ou ferri-magnétiques préparées par chimie douce en mettant à profit i) leur anisotropie de forme (nanofils/nanofibres de métaux ferromagnétiques type Co, CoFe, Fe, FeNi, …) ; ii) leur anisotropie d’échange de type exchange bias (Fe3O4@CoO, Ba5Fe7O12@-Fe2O3, CoFe2O4-NiO, …) ou (iii) leur anisotropie d’échange de type spring magnet (Ba5Fe7O12@Fe3O4, Fe@FeNi, Fe@Co, Fe@CoFe2O4, CoFe2O4@MnFe2O4, …).
- de fluides magnétiques, à base par exemple de nanoparticules cœur-coquille Au@CoFe2O4) pour des applications biomédicales (IRM, hyperthermie, délivrance médicamenteuse, …)
- des céramiques magnétiques nanostructurées pour l’utlisation dans le domaine des hyperfréquences. L’effet de la nanostructuration (taille des grains, joints de grain, …) sur les propriétés magnétiques statiques et dynamiques de ces solides a été étudié.
- de matériaux magnétocaloriques pour la réfrigération magnétique domestique (manganites nanostructurées dopées p) ou cryogénique (glycolates de métaux de transition 3d/4f).

Axe B.2. Coupler plusieurs propriétés ferroïques

La mise au point de nanomatériaux mutiferroïques extrinsèques constitue également une partie de nos activités de recherche, qu'il s'agisse de matériaux i) flexibles autosupportés (Figure 4) ou ii) tout inorganiques. Dans le cadre de ces travaux, la corrélation entre structure et propriétés magnéto-électro-élastiques a été particulièrement étudiée.

Axe B.3. Sonder localement l’environnement chimique et physique des nanostructures plasmoniques

Une partie des activités de recherche du D2 est tournée vers l’étude :
- du mécanisme de chimisorption de molécules oxadiole-thiols sur des bâtonnets d’or colloïdaux, en s’appuyant sur la spectroscopie SERS et des calculs DFT (Figure 5).
- des mécanismes à l’origine de l’exaltation de surface du signal Raman  via la compréhension de l’influence de la rugosité de surface de particules d’or lithographiques sur les propriétés optiques et la réponse SERS de ces structures plasmoniques (Figure 6 – en fait choisir entre Fig. 5 ou 6).
-des effets de couplage à longue distance ainsi que de l’effet Fano, via l’étude des propriétés optiques de réseaux de nanoparticules d’or lithographiques. Les résultats obtenus peuvent être appliqués à la spectroscopie SERS

Axe B.4. Induire et suivre des transformations physico-chimiques par excitation plasmon

Nous avons montré qu’il était possible de coupler les propriétés optiques de nanoparticules de métaux nobles et les propriétés photochimiques réversibles et contrôlables de molécules. Cela a permis de concevoir des systèmes hybrides actifs intégrant des commutateurs optiques organiques (molécules photochromes) et des réseaux de nanoparticules d’or ().
Induire, sous excitation plasmon, le greffage de films aryl dérivés de sels de diazonium sur des structures plasmoniques est également possible. Les propriétés optiques et topographiques des structures après greffage ont été caractérisées et l’épaisseur des films a été contrôlée par spectroscopie SERS.

Axe C.1. Nanomédecine et écotoxicologie

Au sein du département D2, nous développons :
- la synthèse et à la fonctionnalisation de systèmes nanohybrides à base de nanoparticules (NPs) d’oxyde de fer destinés à des applications biomédicales.
- la synthèse de molécules actives contre les infections bactériennes et la maladie de Parkinson.
- la détection par SERS de traces dans la salive d’un agent cationique antibactérien, la Chlorhexidine (CHX), antiseptique recommandé pour la réalisation des soins de bouche chez les patients en réanimation.

Axe C.2. Détection et décontamination

En collaboration avec le Pr. C. Mangeney (Univ. Paris Descartes), il a été développé une approche originale pour greffer des polymères à empreinte moléculaire autour de bâtonnets d’or en combinant la chimie des sels de diazonium avec la méthode dite « iniferter ». Cette stratégie permet d’obtenir des capteurs plasmoniques hautement sélectifs.
Nous nous intéressons également à la dépollution des métaux lourds par moisson magnétique grâce à l’élaboration de plusieurs systèmes nanohybrides utilisant des nanoparticules de maghémite portants différents types de chélateurs comme des cyclodextrines, des calixarenes (en collaboration avec Dr. Isabelle Leray, ENS Cachan) et des di- et poly-amidoxime (en collaboration avec Thierry Le Gall, CEA Saclay).

Axe C.3. Nanomatériaux pour l'énergie et la catalyse

Le département D2 est fortement impliqué dans certaines thématiques actuelles autour de l’énergie :
- la production d’électricité par thermoélectricité. De nouvelles architectures de Bi2Te3 ont été réalisées et couplées à des polymères conducteurs afin de former des films hybrides thermoélectriques.
- la production d’hydrogène (électrocatalyse). Les travaux consistent en l’élaboration de matériaux actifs et leurs caractérisations structurales et électroniques mais vont aussi jusqu’au développement de dispositifs (cellules d’électrolyse à membranes échangeuses de protons).

Nous nous intéressons également aux propriétés catalytiques des matériaux que nous développons :
- particules de MnOx pour dégradation des polluants aromatiques.
- zéolithes pour le craquage catalytique des alcanes.
- nanoparticules métalliques présentant une morphologie bien contrôlée et donc exposant explicitement certaines facettes pour la déshydrogénation oxydante d’alcools secondaires sans accepteur de proton.