Authors: Najoua Bouzakher Ghomrasni
Source: SPIRE - Sciences Po Institutional REpository (preprint, 2021-09-30)
Field: Chemistry — Spectroscopy

Identification and metrological characterization of nanoparticles in complex matrix Depuis les années 2000, les nanomatériaux (NMs) font partie de notre vie quotidienne et sont de plus en plus présents sur le marché mondial. Ces NMs sont utilisés dans divers secteurs d’activité tels que le bâtiment, l’alimentation, la santé, l’automobile et bien d’autres. Des définitions normatives et des règlementations ont été mises en place pour encadrer la traçabilité des NMs le long de leur cycle de vie. Ainsi en Europe, des exigences réglementaires (obligation d’étiquetage si ingrédient nano dans produits alimentaires, cosmétiques ou biocides) imposent aujourd’hui aux utilisateurs d’additifs de savoir si la substance qu’ils utilisent doit être considérée comme « nano » ou pas. Une métrologie fiable permettant l’identification et la caractérisation des nano-objets est donc nécessaire. Cependant, cette caractérisation métrologique des NMs reste un défi compte-tenu du nombre de paramètres à prendre en compte pour les décrire complètement (taille, distribution en taille, état d’agglomération/agrégation, forme, surface spécifique, composition chimique, chimie de surface et charge en surface), listés dans la norme ISO/TC 229 (PDTR 13014). Le sujet de thèse se place dans ce cadre de caractérisation des NMs et plus particulièrement de la caractérisation dimensionnelle à l’échelle nanométrique. L’étude concerne essentiellement les (nano) objets de dioxyde de titane (TiO2) qui sont classées parmi les 5 substances sous forme de nanoparticules les plus produites (en tonnage) dans le monde et utilisées dans de nombreuses applications.L’objectif est d’évaluer et de comparer les mesurandes de plusieurs techniques de caractérisation dimensionnelle de nanoparticules pour accéder à la taille des particules constitutives. Ainsi, des techniques d’ensemble et intégrales comme le SAXS (diffusion des rayons-X aux petits angles), la DLS (diffusion dynamique de la lumière) et la BET (Brunauer–Emmett–Teller) ont été comparées à la technique de mesure directe par MEB (microscopie électronique à balayage). L'accent est mis sur l'évaluation de l'influence de plusieurs facteurs, à savoir, la taille, la forme ainsi que la cristallinité des particules et la matrice complexe (ensemble d’éléments en coexistence avec les particules d’intérêt), sur les mesures réalisées. Le choix d’une large famille de composés (de références, de synthèse, matière première ou produits finis) permet d’identifier les difficultés de caractérisation des NMs en fonction de leur provenance.Après une revue de la littérature sur l’état de l’art pour positionner le sujet dans son contexte une première partie est consacrée à l’élaboration d’un protocole de préparation d’échantillon pour le MEB. L’objectif est de faciliter l’étape de traitement d’images dans le but de répondre à la réglementation et caractériser les particules isolées et/ou constitutives des agglomérats. Par le contrôle de la taille des agglomérats par DLS, l’impact de l’étape de sonication sur la dispersion et la dissociation des (nano) objets agglomérés présents en suspension a été mis en évidence.Dans une deuxième partie, une approche multi-technique est mise en œuvre pour comparer deux mesurandes issues de différents instruments (un diamètre équivalent à une surface projetée pour le MEB et une surface spécifique pour le SAXS et la BET), afin d’accéder aux dimensions des (nano)-objets étudiées. L'influence de différents paramètres tels que la distribution en taille (ou polydispersité) la pureté des échantillons (et donc l’étape d’extraction des NMs de leur matrice), l'interaction entre les particules et l’anisotropie des particules sont discutées. Ces dernières ont un impact important sur les mesures de surface spécifique, ou des diamètres équivalents issus du SAXS. Les résultats obtenus illustrent les difficultés de la caractérisation des (nano)-objets mais confirment que les techniques utilisées dans cette étude (le MEB, le SAXS et la BET) sont complémentaires. Characterization (materials science) ; Identification (biology) ; Matrix (chemical analysis) ; Metrology ; Nanoparticle ; Nanotechnology ; Engineering ; Materials science ; Computer science ; Mathematics ; Biology ; Statistics ; Composite material Adsorption, diffusion, and thermodynamic properties of materials ; Spectroscopy and Chemometric Analyses ; Water Quality Monitoring and Analysis