Lilian Guillemeney, docteur en chimie et enseignant agrégé au DSDA, vient de cosigner un
article publié dans le Journal of Chemical Education (JCE), une revue de référence internationale pour l'enseignement de la chimie. Cette publication décrit en détail un TP original, qui est proposé aux étudiants de deuxième année de licence Chimie-Biologie et Physique-Chimie du DSDA et qui les plonge au cœur de la nanoscience par la synthèse facile et sécurisée de nanomatériaux : des perovskites à base de de bromure de plomb et de césium (CsPbBr₃) .
Que sont les nanomatériaux semiconducteurs synthétisés en TP au DSDA ?
Les perovskites synthétisées par les étudiants sont des matériaux semi-conducteurs d'une taille caractéristique du nanomètre, c’est-à-dire de l'ordre du milliardième de mètre ou encore d'un millième du diamètre d'un cheveu. À cette échelle infiniment petite, les lois de la mécanique quantique gouvernent le comportement des matériaux de façon spectaculaire : pour exemple et de manière générale, la couleur émise par des nanomatériaux peut alors dépendre directement de leur taille, qui elle-même est précisément contrôlable et ajustable selon les paramètres expérimentaux de synthèse. Il est alors aisé de synthétiser des nanoparticules ayant les propriétés optiques d'absorption et d'émission de lumière désirées par l'expérimentateur.
Dans le cadre de ce TP, deux populations de nanocristaux sont synthétisées par les étudiants : des gros cristaux d'un diamètre moyen de 7,5 nm, émettant une lumière verte sous irradiation UV, et des cristaux plus petits, d'un diamètre moyen de 5,4 nm, émettant une lumière bleue.
Ce phénomène, lié à ce que l'on appelle le confinement quantique, est l'une des manifestations les plus fascinantes et les plus visuelles de la chimie quantique. Il est d'ailleurs au cœur des travaux de Moungi Bawendi, Louis Brus et Alexei Ekimov, lauréats du Prix Nobel de Chimie 2023 récompensant la découverte et la synthèse des points quantiques (quantum dots en anglais) principalement de sulfure de cadmium CdS, une autre catégorie de nanomatériaux semi-conducteurs - une reconnaissance qui souligne l'importance croissante de ces matériaux dans des domaines aussi variés que les écrans haute résolution, les panneaux solaires ou encore l'imagerie médicale.
Comment se déroule ce TP ?
En quatre heures et par binômes, les étudiants synthétisent eux-mêmes des
nanocristaux de bromure de plomb et de césium (CsPbBr₃) à température ambiante, dans des erlenmeyers dédiés et sous sorbonne. Cette synthèses facile, en solution et sécurisée évite ainsi de se prémunir d'équipements de protection lourds et d'une atmosphère contrôlée (boîte à gants) comme il est souvent nécessaire pour la synthèse de ce type de matériaux. Les étudiants observent en direct le passage de la solution de l'incolore au jaune, et l'apparition d'une fluorescence verte ou bleue sous irradiation d'une lampe UV.
À l'aide d'un spectromètre UV-visible, il est possible de suivre la croissance des particules et l'évolution de leurs propriétés optiques tout au long de de la synthèse, et d'ainsi calculer le diamètre des particules à tout instant, tandis qu'un fluorimètre leur permet de caractériser les propriétés optiques d'émission des particules synthétisées. Enfin, ces propriétés d'émission lumineuses sont modifiées post-synthèse en effectuant un échange de ligands, c'est-à-dire en changeant les entités chimiques présentent à la surface des nanoparticules. En ajoutant quelques gouttes d'une solution iodée ou chlorée, les étudiants obtiennent ainsi différents échantillons de perovskites émettant sous irradiation UV de la lumière dans tout le domaine du spectre visible, du bleu-violet au rouge profond.
En quoi cette publication scientifique au Journal of Chemical Education est-elle importante ?
Le TP décrit dans cet article répond à un vrai problème de l'enseignement de la chimie des nanomatériaux au niveau mondial : la plupart des protocoles existants pour la synthèse de nanoparticules semiconductrices nécessitent des températures très élevées et précises, des réactifs dangereux et toxiques, voire même une atmosphère contrôlée (sans air), ce qui était inaccessible et inenvisageable pour la plupart des laboratoires d'enseignement. La synthèse proposée ici est relativement sûre, reproductible et réalisable avec du matériel de chimie standard au laboratoire (erlenmeyers et micropipettes), et permet l'obtention rapide de nanocristaux aux propriétés optiques remarquablement bien définies. Elle représente une alternative aux nanoparticules métalliques d'or ou d'argent communément synthétisées dans les laboratoires d'enseignement dans les cycles licence et master et qui permettent généralement d'introduire les nanomatériaux et les nanosciences aux étudiants. A travers cette synthèse de perovskites décrite au JCE, il devient également possible d'introduire facilement le phénomène de fluorescence aux étudiants, de manière ludique et spectaculaire, aux côtés d'autres concepts clés de la synthèse de nanoparticules semiconductrices (croissance, effet de confinement quantique, etc.).
Ce TP s'adapte aisément au public d'étudiants tant dans son contenu que dans son cadre théorique, et peut se prolonger envers des publics plus avancés dans le domaine de la chimie (L3 ou M1), notamment en calculant des rendements quantiques de fluorescence des perovskites synthétisées ou en s'intéressant à la nucléation et la croissance de ces matériaux, suivie par spectroscopie UV-visible.
Le protocole opératoire a été testé avec succès dans plusieurs établissements d'enseignement supérieur : à l'École Normale Supérieure de Lyon dans le cadre du master Sciences de la Matière, mais aussi à la prestigieuse et renommée Columbia University de New-York (USA), à l'Université de Washington et à l'Université de Pennsylvanie dans le cadre d'un programme soutenu par la National Science Foundation américaine. Dans les enquêtes de satisfaction, les étudiants ont noté ce TP 3,6/4.
Quand la recherche nourrit l’enseignement... et vice-versa !
Cet article est le fruit d'une collaboration entre le laboratoire de chimie de l'ENS de Lyon (CNRS, UMR 5182), dont faisait partie Lilian Guillemeney entre 2017 et 2024 (en tant que doctorant puis Agrégé Préparateur avant qu'il ne rejoigne l'Université Grenoble-Alpes et le campus de Valence) et son collègue co-auteur Rodolphe Valleix (aujourd'hui chargé de recherche CNRS dans ce même laboratoire), et le groupe du professeur Jonathan Owen à Columbia University (l'un des spécialistes mondiaux les plus renommé dans le domaine des nanomatériaux colloïdaux).
Cette coopération a trouvé son origine dans les parcours de Lilian Guillemeney et de Rodolphe Valleix, qui ont développé des liens scientifiques étroits à travers ces deux institutions outre-Atlantique dont ils ont fait partie.
Au-delà de cette publication, cet exemple témoigne de ce qui caractérise l'enseignement au DSDA : des cours et des TP construits au contact de la recherche scientifique contemporaine, et des enseignants et enseignants-chercheurs qui font le lien entre les avancées de leur discipline et la formation de leurs étudiants.
Ce TP n'aurait pu voir le jour au DSDA sans l'acquisition récente d'un spectromètre UV-visible et d'un fluorimètre, financée grâce au soutien de la
Région Auvergne-Rhône-Alpes. Ces équipements, directement issus des pratiques des laboratoires de recherche, enrichissent durablement la plateforme expérimentale du DSDA et bénéficient à l'ensemble des enseignements pratiques.
Département Sciences Drôme Ardèche
