TP - Synthèse de nanoparticules d'or


Fichiers joints

Thème 3 matériaux - Nouveaux matériaux

Nanotubes, nanoparticules.
Matériaux nanostructurés.

Agir - Synthétiser des molécules et fabriquer de nouveaux matériaux.

Nanochimie.






Introduction

La synthèse de nanoparticule par voie aqueuse a été formulée en 1951 par J.Turkevich. Une méthode plusieurs fois revisitée et améliorée mais toujours utilisée malgré son ancienneté. Cette synthèse permet d’obtenir des nanoparticules d’or entre 15 et 150 nm avec une grande simplicité et rapidité.
Son principe repose sur la réduction de l’acide tétrachloroaurique par le citrate de sodium.


Pendant le TP

Lors des manipulations, les élèves sont amenés à utiliser leurs connaissances pour réaliser une dilution à partir d’une solution mère, calculer une quantité de matière, calculer la masse d’or consommée lors de la réaction et enfin utiliser le nombre d’Avogadro pour calculer le nombre de nanoparticules fabriquées lors de la synthèse.


Résultats et exploitations

1- Préparation

La première étape consiste à préparer une solution de 0.2 mmol .L-1 d'acide tétrachloroaurique à partir d’une solution mère et mettre à chauffer la solution.

2. Réduction des ions auriques

Lorsque la solution bout, allumer l’agitateur magnétique. A l’aide de la pipette graduée, ajouter en une seule fois 0,4 mL de la solution de citrate de sodium à 1%. Observer le changement.

Pour fabriquer des nanoparticules d’or, nous avons besoin d’atomes d’or. Il faut donc réduire les ions auriques Au3+. Cette réaction se déroule en 2 étapes.

La première réaction d’oxydo-réduction est une réaction rapide. Elle permet de réduire les ions Au3+ en ions aureux Au+.
    Au3+ + 2 e- -> Au+
Les ions Au3+ teintaient la solution en jaune, les ions Au+ étant incolores, la solution vire donc soudainement du jaune à l’incolore.


Les ions Au+ sont ensuite réduits en atomes Au par une réaction cette fois-ci, plus lente.
    Au+ + 1 e- -> Au0(s)
Les atomes d’or s’assemblent progressivement en structures désorganisées donnant une teinte grise à violette foncée à la solution.

3. Formation et stabilisation des nanoparticules

En fin de réaction, les atomes d’or s’organisent en particules sphériques afin de minimiser leur énergie.

La croissance et l’agglomération de ces particules sont limitées par la présence d’ions citrate en excès.

Ceux-ci, en s’organisant autour des particules, jouent le rôle d’agents de stabilisation et empêchent par répulsion ionique, les particules de se rencontrer.

4. Couleurs et dimensions

La croissance des nanoparticules durant la synthèse et leur stabilisation par les ions citrate sont deux processus physicochimiques qui rentrent en compétition. En jouant sur les proportions de citrate et de sel d'Or lors de la synthèse, on peut espérer privilégier l'un ou l'autre de ces processus et donc moduler le diamètre des nanoparticules obtenues.

Ci-contre, 3 solutions de nanoparticules obtenues pour des rapports entre quantité de citrate et quantité de sel d'or différents, les diamètres des nanoparticules sont d'environ 20 nm, 100 nm, et 100 nm (de gauche à droite).

Il est possible de modifier la taille des nanoparticules que nous venons de synthétiser :
  • dans deux béchers d'eau distillée, diluer 2 mL de la solution rouge rubis obtenue précédemment.
  • dans l'un des béchers ajouter une solution concentrée de chlorure de sodium.

La solution change brutalement de couleur. En ajoutant de nouveaux ions, on a pertubé l'équilibre ionique qui stabilisait les nanoparticules, elles ont alors pu s'agréger jusqu'à trouver un nouvel équilibre. Ces nouvelles particules ont un diamètre de l'ordre de 100 nm et leur coloration tire sur le bleu et le violet.

Nous verrons par la suite comment on peut tirer parti de ce changement de couleur en fonction de la taille pour réaliser des détecteurs biologiques.