Propriétés structurelles et magnétiques d'alliages de nanoparticules fabriquées par procédés lasers pour des applications biomédicales

Cette thèse a comme objectif d'étudier l'aimantation des nanoparticules magnétiques dont les diamètres se situent autour de 10 nm. L'objectif général est de comprendre certains des phénomènes qui modifient l'aimantation tels que l'oxydation et d'élaborer des traitements pour augmenter son amplitude. Dans un premier temps, afin de pouvoir étudier les propriétés de plusieurs matériaux, un procédé de synthèse par laser femtoseconde a été développé et amélioré afin de pouvoir fabriquer des nanoparticules en milieu liquide en absence de surfactants tout en gardant un contrôle adéquat sur leur taille et leur dispersion. Puis, l'aimantation des alliages composés de fer, de cobalt et de nickel a été étudiée et comparée à la courbe de Slater-Pauling. Le troisième volet consiste en la fabrication de structures hétérogènes de cobalt et d'or afin de chercher à maximiser l'aimantation à saturation des nanoparticules. La synthèse de nanoparticules s'est principalement effectuée autour du cobalt car il est reconnu pour s'oxyder facilement et il exige que le procédé de fabrication soit bien contrôlé afin d'éviter une oxydation complète du coeur de la particule. Dans cette optique, nous avons développé un procédé d'ablation et de fragmentation en présence d'une solution dégazée par un flux d'azote ou d'argon afin de retirer l'oxygène dissout naturellement. Ce faisant, nous avons pu observer une réduction d'environ 5 fois du volume de l'oxyde tout en conservant les paramètres lasers identiques. Le milieu liquide peut aussi favoriser l'oxydation lorsque celui-ci se décompose sous l'influence de l'impulsion laser comme pour l'eau alors que le toluène fige les particules dans des structures de carbone. Cependant, l'influence principale du solvant provient de sa capacité à stabiliser les nanoparticules en solution. Bien que les particules ne changent pas de taille à la température ambiante, et ce même s'ils peuvent entrer en contact par collisions browniennes, ils seront en mesure de pouvoir s'unir et se remodeler à plus haute température. Or, les nanoparticules se retrouvent excitées en solution lorsque le faisceau laser les traverse et leur augmentation de température sera d'autant plus grande que la fluence de l'impulsion sera élevée, c'est-à-dire près du point focal. La probabilité de collision entre deux nanoparticules chaudes peut être déterminée à partir de la théorique péricinétique du modèle DLVO (modèle décrivant la force d'interaction entre des surfaces chargées au travers d'un milieu liquide). Cependant, en l'absence de surfactants et de sels ioniques, nous montrons que la répulsion électrostatique sera contrôlée via la polarité de la solution qui écrantera le potentiel de surface des nanoparticules

Abstract

The goal of this thesis is to study the magnetization of magnetic nanoparticles with diameters around 10 nm. The main objective is to understand some of the phenomena that alter the magnetization, like oxidation, and to conceive processes to increase its amplitude. As a first step, in order to study the properties of many materials, a synthesis process using a femtosecond laser has been developed and improved, enabling the fabrication of nanoparticles in a liquid medium without using surfactants while keeping an adequate control over their diameter and size dispersion. Then, the magnetization of nanoparticle alloys made from iron, cobalt and nickel has been studied and compared to the expected Slater-Pauling bulk behaviour. The third step consists of the fabrication of heterogeneous structures of cobalt and gold in order to maximise the nanoparticles' saturation magnetization. The nanoparticle synthesis has mainly involved cobalt cores because Co is known to oxidize easily in the presence of oxygen. This requires that the fabrication process be well controlled in order to avoid complete oxidation of the nanoparticle core. From this perspective, we have developed a process of ablation and fragmentation in a solution degassed by a flux of nitrogen or argon to remove the oxygen dissolved naturally in liquids. Doing so, we have observed that the oxide volume was reduced roughly by a factor of 5 while keeping the same laser parameters. The liquid medium can also favour oxidation when it is decomposed by the laser pulse, as seen in water, while in toluene, particles are fixed in a carbon matrix. Nevertheless, the main solvent influence originates from its capacity to stabilise the nanoparticles in solution. While the particles do not change size at room temperature, even though they can collide due to Brownian motion, they will be able to bond and reshape at higher temperature. In liquids, the nanoparticles will be excited upon interaction with the laser beam, yielding a temperature rise that will increase as the fluence rises, i.e. near the focal point. The probability of collision between two hot nanoparticles can be calculated, based on the perikinetic theory from the DLVO model. However, in the absence of surfactants and ionic salts, we show that the electrostatic repulsion can be controlled via the solvent polarity that screens the nanoparticles surface potential, as would be the case for charged ions. As such, solvents with a higher polarity, like methanol, contribute to the lowering of the ionic double layer thickness, increasing the probability of a growth event to occur. Conversely, solvents with a lower polarity, like toluene, will not efficiently screen the