Centre Européen
de Recherche et d'Enseignement
des Géosciences de l'Environnement

Réactivité des phases nanométriques

Animation : Jérôme Labille

Les propriétés physiques et chimiques des nanophases naturelles et manufacturées sont différentes de celles de phases minérales de même composition chimique mais de plus grande taille. Ces propriétés, en particulier une réactivité accrue spécifique à leur état nanoparticulaire, impliquent des comportements inédits dans l’environnement auxquels l’équipe s’intéresse (e.g. transfert en milieux poreux, stabilisation des composés organiques des sols, adsorption de polluants). En parallèle, des travaux sont menés pour repousser les limites des connaissances théoriques sur les transitions de propriétés entre les phases nanométriques à différents stades de la croissance.

De l’ion à la particule : dynamiques aux interfaces

La prédiction de la réactivité de nanoparticules par la thermodynamique dite “classique” est de plus en plus remise en cause. La thermodynamique prend difficilement en compte les modifications structurales des nanoparticules de petites tailles qui peuvent entraîner des variations d’énergie de surface, créer des confinements quantiques et ainsi modifier leur solubilité ou cinétique de dissolution. De plus, la vision d’une interface solide-solution statique dans lequel les atomes de surface sont en équilibre avec les espèces dissoutes ne s’applique plus aux nanophases. Des études ont mis en évidence des processus dynamiques qui mettent en jeu des échanges entre les espèces dissoutes et les atomes de cœur via des phénomènes de diffusion atomique. La frontière entre nano-phases cristallines, amorphes, structures polymétalliques devient floue. La notion même de « solide » doit être revisitée.

Nous cherchons à relier la stabilité et la réactivité des nanoparticules avec leurs propriétés structurales. Nous focalisons nos efforts sur des particules de tailles nanométriques (à partir desquelles de nouvelles propriétés apparaissent <10-20 nm) jusqu’aux clusters atomiques de 3 à une dizaine d’atomes aux propriétés encore peu explorées. Un des objectifs est de caractériser la stabilité chimique (dissolution) et les propriétés (optique, électrique, catalytique) de ces clusters associés à différentes surfaces minérales et dans des milieux confinés (projet ANR-DIGESTATE 2016-20). 

Les projets

Transferts des colloïdes et des métaux

Dans les systèmes aquatiques continentaux et marins, ainsi que les milieux poreux associés, les mécanismes réactionnels à l’échelle nanométrique sont appréhendés afin de mieux comprendre les processus de transport et de vectorisation colloïdale des contaminants. Des approches mécanistiques et holistiques seront mises en œuvre, couplant à la fois expériences en laboratoire (Lab. Caractérisation des colloïdes), terrain et modélisation, qui permettront les transferts d’échelle et de complexité. En particulier, la problématique du transfert de polluants dans les sols ou aquifères, depuis la source de déversement (épandage, industrie) vers la ressource en eau est un objet d’étude prioritaire. Le rôle des colloïdes comme vecteurs (dispersion colloïdale) ou puits (atténuation naturelle par hétéro-agrégation, sédimentation, ou filtration) de ces contaminants est étudié.

Interactions organo-minérales

Les interactions organo-minérales contrôlent la dynamique des MO dans les systèmes naturels de surface, en particulier dans les sols. L’équipe s’intéressera en particulier à la protection, par les nanominéraux, de la dégradation microbienne des MO, à la stabilisation des composés organiques dans les sols, à l’inhibition de la croissance des minéraux secondaires des sols due à la présence de composés organiques ainsi que facteurs contrôlant la déstabilisation des complexes organo-minéraux (projet ANR-NanoSoilC 2017-21). Il s’agit de caractériser à la fois les interactions à l’échelle moléculaire et les propriétés des nano-composés organo-minéraux. L’approche couple des travaux sur des analogues naturels formés par synthèse en conditions contrôlées et des échantillons extraits de sols naturels. La caractérisation des interactions organo-minérales et de leur dynamique combine des techniques de séparations (filtration tangentielle sur des échantillons de sol), de quantification des MO et de leur dynamique (13C, 14C). La connaissance structurale des organo-minéraux à la nanoéchelle impose d’utiliser les outils les plus performants en termes de résolution spatiales et spectrales (nanoSIMS, cryoMET, nanoCT RX et électronique) et des outils utilisant les synchrotrons. Cet axe est développé avec l’équipe Terre et Planètes.