Reactivity of nanoparticles at charged interfaces:
Electronic transfer in colloidal suspension and electrokinetic phenomena at the nanometric scale.
Réactivité de nanoparticules aux interfaces chargée:
Phénomènes électrocinétiques à l'échelle nanométrique
Transfert électronique en milieu colloïdal
Résumé
The synthesis of a liquid displaying both magnetic properties and electronic conduction is possible by dispersing electrochemically and at room temperature iron nanoparticles in liquid metals (mercury and gallium) starting from iron oxide nanocolloidal particles. However, the mechanisms involved in the electrochemical transformation of charged thousand-atom particles are poorly known. For that purpose, the nanoparticules are described as electroactive ionic species by considering first the approach of the charged particles near charged surfaces and then the electron transfer between the particle and the electrode. The understanding of the charging and discharging mechanisms of the particles depending on the experimental conditions of pH, ionic strength and volume fraction is a necessary step in the study of the approach. This was achieved by coupling titration experiments, electrokinetic methods and suitable theoretical tools. Then, the association of atomic force microscopy, with optical techniques (reflectometry) and electrochemical measurements, carried out on solid metal substrates of very low roughness, enabled us to interpret the results obtained on liquid electrodes (mercury). Finally the detailed study of the electrochemical transformations showed that under suitable conditions, the particles keep size and shape properties after they underwent the electrochemical reaction, thereby justifying their use in the preparation of a conducting magnetic liquid.
La dispersion de nanoparticules de fer dans des métaux liquides à température ambiante (mercure et gallium) permet d'obtenir un liquide à la fois magnétique et conducteur. Ceci est réalisé par réduction électrochimique de suspensions colloïdales de nanoparticules d'oxyde de fer sur une électrode liquide. Les mécanismes intervenant dans la transformation électrochimique de particules chargées constituées de milliers d'atomes sont mal connus. Nous avons choisi ici de décrire la réactivité de nanoparticules à l'instar d'espèces ioniques électroactives en traitant d'abord l'approche de la particule chargée vis-à-vis d'une surface chargée et ensuite le transfert électronique entre la particule et l'électrode. Il a fallu dans un premier temps comprendre les mécanismes de charge et décharge des particules en fonction des conditions expérimentales de pH, de force ionique et de fraction volumique. Cela a été possible en couplant aux méthodes de titrations chimiques, les méthodes électrocinétiques et en utilisant les outils théoriques adaptés. Ensuite, l'association de la microscopie à champ proche, des techniques optiques (réflectométrie) et des mesures électrochimiques, réalisées sur des substrats métalliques solides de très faible rugosité, nous a permis d'interpréter les résultats obtenus sur électrode liquides (mercure) et d'envisager l'adsorption contrôlée des particules. Enfin, l'étude détaillée des transformations électrochimiques montre que sous certaines conditions, les particules gardent leurs propriétés de taille et de forme après avoir subi la réaction électrochimique justifiant leur utilisation dans la préparation d'un liquide magnétique conducteur.
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