Authors: Marie-Salomé Trillot
Source: theses.fr (ABES) (article, 2025-09-30)
Field: Materials Science — Materials Chemistry

Silver nanoparticles embedded in a silica matrix for antibacterial devices : gas-phase synthesis and machine learning-assisted modeling Cette étude porte sur le développement de matériaux nanocomposites antibactériens constitués de nanoparticules d'argent (AgNPs) enrobées dans une matrice de silice et situées quelques nanomètres sous la surface libre. Les AgNPs jouent le rôle de réservoirs d'ions Ag&#8314; qui, une fois relargués, diffusent à travers la matrice pour atteindre la surface et exercer une action antibactérienne. La silice agit à la fois comme barrière protectrice vis-à-vis des nanoparticules métalliques et de l'environnement, et comme régulateur de la libération ionique, dans une logique conforme au principe " nano-safer by design ". Une approche croisée, expérimentale et théorique, a été développée pour comprendre les mécanismes de diffusion ionique dans la silice amorphe, à l'échelle atomique, et optimiser les paramètres structuraux des matériaux obtenus.Sur le versant expérimental, la synthèse en phase gazeuse a été choisie pour sa capacité à générer des nanoparticules dans des conditions maîtrisées, sans contamination organique. Ce procédé est couplé à un dépôt par pulvérisation cathodique magnétron à radiofréquence afin de recouvrir les AgNPs d'une couche mince de silice. L'objectif principal a été d'obtenir un contrôle indépendant de la taille et de la densité surfacique d'AgNPs déposées, et un taux de couverture optimal. Un résultat marquant concerne l'effet de l'oxygène sur les mécanismes de nucléation. L'ajout d'oxygène à très faible concentration (< 0,2&#8239;%) entraîne une augmentation significative du taux de nucléation et de la densité surfacique des nanoparticules. Des mesures de spectroscopie d'émission optique (OES) ont permis d'émettre l'hypothèse que cet apport d'oxygène pourrait être à l'origine d'un processus de nucléation induite par les ions, expliquant ainsi l'augmentation observée du taux de nucléation. Des tests préliminaires de relargage ionique en solution aqueuse ont été réalisés. La poursuite des travaux consistera à intégrer les AgNPs dans une matrice de silice, afin d'étudier l'impact des propriétés des nanoparticules et de la matrice sur le contrôle du relargage ionique et sur l'efficacité antibactérienne.Sur le plan théorique, la diffusion des ions Ag&#8314; dans la silice amorphe a été étudiée par dynamique moléculaire, en s'appuyant sur des potentiels interatomiques issus de l'apprentissage automatique (machine learning). Deux potentiels de type réseau de neurones (NNP) ont été développés à partir de bases de données DFT. Le premier, dédié à la silice pure, reproduit avec une excellente précision les propriétés structurales et vibrationnelles de la silice amorphe. Le second modèle, étendu à des systèmes de silice amorphe contenant un ion Ag&#8314;, a permis de simuler la diffusion d'un ion Ag&#8314; au sein de la matrice. Les trajectoires de dynamique moléculaire simulées ont révélé un comportement de diffusion anormale, de type sous-diffusif, caractérisé par des effets de piégeage ionique liés à la topologie désordonnée du réseau. En particulier, les atomes d'oxygène sous-coordonnés (défauts O1) forment des liaisons Ag-O stables, ralentissant le transport. La densité du verre influence également la connectivité du réseau et les chemins de diffusion accessibles.Ces résultats montrent que la diffusion des ions Ag&#8314; peut être modulée par un ajustement fin de la structure locale de la matrice, et ouvrent la voie vers un contrôle précis du relargage ionique, en lien direct avec l'efficacité des surfaces antibactériennes. Silver nanoparticle ; BET theory ; Pyrometallurgy Machine Learning in Materials Science ; X-ray Diffraction in Crystallography ; Laser-Ablation Synthesis of Nanoparticles