Titre de l'écran-titre (visionné le 5 février 2024) / Cette thèse de doctorat étudie la synthèse de nanoparticules (H₃O)Y₃F₁₀ d'architecture coeur@coquille dopées en lanthanides et leurs propriétés luminescentes. Les nanomatériaux à base de fluorure d'yttrium sont largement étudiés pour l'incorporation d'ions lanthanide en leur sein et pour en altérer les propriétés optiques. Cependant, ce type de matériau est très influencé par les défauts à l'intérieur des cristaux et à leur surface, ce qui est néfaste pour leurs performances. Les nanoparticules de (H₃O)Y₃F₁₀ s'avèrent être un matériel de choix grâce à sa cristallinité et au bon contrôle de leur synthèse par l'intermédiaire d'une microémulsion inverse. La méthode de synthèse a d'abord été optimisée afin d'isoler les paramètres permettant de contrôler la taille des nanoparticules. Cette étude a permis d'élaborer un moyen pour estimer le nombre de particules synthétisées. Cette découverte a permis de développer une procédure permettant d'ajouter une coquille d'une taille contrôlable et prédictible. Cet ajout permet la confection de nanomatériaux avec des environnements distincts, chaque partie pouvant être dopée ou non avec des ions lanthanide. Les propriétés optiques des nanoparticules coeur@coquille simplement dopées en europium ont été étudiées. Le taux de dopage et l'emplacement des ions dopants font partie des paramètres qui ont été modifiés pour démontrer la présence de transfert non radiatif d'énergie entre ions. L'effet d'antenne a d'ailleurs été démontré afin d'augmenter la luminescence des particules. Le transfert non radiatif d'énergie entre ions de deux espèces différentes, soit Tb³⁺ et Eu³⁺, a pu également être observé avec divers degrés de succès. Le transfert semble se produire sur de courtes distances seulement, ce qui veut dire qu'il est favorisé dans des nanoparticules où tous les ions sont mélangés et non séparés dans des environnements différents tel que dans des nanoparticules coeur@coquille. Finalement, la thèse aborde la pertinence de comparer les nanoparticules de (H₃O)Y₃F₁₀ avec d'autres nanomatériaux à base de fluorure d'yttrium afin de mettre en perspective leurs défis synthétiques et leurs propriétés luminescentes.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / La synthèse de nanoparticules d'YF₃ a été réalisée par la méthode des microémulsions inverses. Les deux variantes utilisées consistent à ajouter F₃ à une microémulsion contenant Y₃+, soit via une microémulsion, soit en phase aqueuse. La première méthode produit des particules amorphes de forme indéfinie. La seconde produit un mélange de particules octaédriques monocristallines et sphériques amorphes. Dans les deux cas, la taille est monodisperse et celle-ci peut être contrôlée. Plusieurs paramètres du système micellaire ont été caractérisés par DLS et RMN (taille des micelles inverses, nombre d'agrégation, quantité de surfactant libre, composition micellaire et aire moléculaire interfaciale). De nouvelles approches pour l'analyse des données ont été développées, basées sur la réalisation que des micelles d'une taille donnée doivent être en équilibre avec le surfactant libre à une concentration fixe unique. Un nouveau modèle a également été développé pour les micelles inverses non ioniques. Celui-ci est plus approprié pour les surfactants non ioniques, car il tient compte du volume occupé par la chaîne hydrophile du surfactant et d'une aire moléculaire interfaciale variable. Il ressort que la quantité de surfactant libre est très importante (45-100%) et augmente avec une diminution de la taille des micelles. Ceci s'explique par une perte d'entropie des chaînes hydrophiles du surfactant qui doivent adopter des conformations défavorables, à cause du manque d'espace. Finalement, le mécanisme de formation des nanoparticules a été étudié. Au début de la synthèse, les réactifs sont rapidement dispersés dans le système et consommés pour former des noyaux solides. Les noyaux plus stables croissent ensuite par un mécanisme de maturation d'Ostwald, alimentés par la dissolution des noyaux instables. La différence déterminante entre les deux méthodes de synthèse se produit au moment de la nucléation. Dans le cas de la méthode classique, celle-ci se produit entre des réactifs équimolaires lors d'un échange intermicellaire. Cette méthode génère un plus grand nombre de noyaux stables, expliquant la plus faible taille des particules. Pour la méthode à une microémulsion, la nucléation se produit avec un excès de fluorure, lors de la rencontre de micelles inverses contenant l'yttrium avec une microgouttelette de la solution de fluorure.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Les propriétés luminescentes des lanthanides sont connues depuis longtemps et proviennent des nombreuses transitions dans les couches électroniques 4f partiellement remplies. L'utihsation d'ions lanthanides, plus particulièrement en imagerie optique, offre plusieurs avantages par rapport aux fluorophores organiques conventionnels. En plus d'avoir une meilleure photostabilité, ils présentent également des bandes d'émission fines. En outre, l'incorporation de fluorophores dans des nanoparticules les rend plus résistants à la dégradation. De plus, l'intégration de plusieurs fluorophores dans une seule nanoparticule permet d'augmenter la sensibilité. Dans le cadre de ce projet, des nanoparticules de fluorure d'yttrium dopées aux lanthanides ont été obtenues par une synthèse en microémulsion inverse. Il est possible de contrôler la synthèse pour obtenir des nanoparticules cristallines ayant une forme particulière. Il a été démontré, grâce à la microscopie électronique à transmission, que ces nanoparticules conservent leur structure cristalline jusqu'à un certain taux de dopage en ions lanthanides. De plus, la spectroscopie à fluorescence a permis d'observer la luminescence due à une excitation directe des ions lanthanides. Différents types de structures coeur-coquille ont également été étudiés puisqu'il est suggéré que la luminescence d'un ion peut dépendre de sa proximité à la surface. La forme désirée des nanoparticules peut être conservée pour ce type de structure selon les conditions expérimentales. De plus, l'intensité de l'émission est influencée par l'ajout d'une coquille ainsi que par la taille de cette dernière.

Les nanoparticules de fluorure d'yttrium dopées aux lanthanides possèdent des propriétés luminescentes intéressantes pour des applications en imagerie biomédicale. Nous pouvons synthétiser ces nanoparticules en micelles inverses. Pour leurs applications, les nanoparticules doivent être dispersées dans l'eau, il devient donc essentiel de fonctionnaliser leur surface. L'addition de tétraéthylorthosilicate à la microémulsion en conditions basiques forme une coquille de silice. Cependant, cette réaction génère une deuxième population de nanoparticules de silice. Plusieurs stratégies ont été tentées afin d'éliminer la formation des billes de silice. La diminution du précurseur élimine la seconde nucléation, en revanche, la coquille de silice devient trop mince pour être observable par microscopie à transmission électronique. II faut se tourner vers la spectroscopie de fluorescence, la spectroscopie de photoélectrons des rayons-X et la microscopie à transmission électronique de haute résolution pour valider la formation de la coquille de silice. La poursuite des travaux inclut la formation d'une couche fonctionnalisée sur la coquille de silice afin de faciliter la dispersion en milieu aqueux. Des études en parallèle ont également été faites sur des nanoparticules de type coeur-coquille dopées aux lanthanides. L'étude visait à valider qu'il soit possible de faire croître une coquille d'un matériau similaire à la surface du coeur, sans toutefois effectuer un mélange des deux matériaux.

La synthèse de nanoparticules de fluorure d’yttrium par microémulsion inverse produit des monocristaux de taille bien définie, monodisperses et de forme octaédrique. Le principal avantage du fluorure d’yttrium est qu’il peut être dopé à l’aide de lanthanides, sans aucun inconvénient sur la structure, afin de conférer aux particules les propriétés intrinsèques au dopant. L’ajout d’une coquille de fluorure de lanthanide est également envisageable. D’autre part, la confection de nanoparticules pour l’imagerie médicale permet d’augmenter la sensibilité des sondes puisqu’elles contiennent plus d’ions actifs que leurs équivalents organiques qui, souvent, n’en contiennent qu’un. Dans le cadre de ce projet, le lanthanide utilisé comme dopant ou pour la confection d’une coquille est le gadolinium. Ainsi, les propriétés relaxométriques de différents types de nanoparticules, synthétisées par la méthode à une simple microémulsion inverse, sont mesurées et comparées. L’addition d’une coquille de silice est réalisée pour augmenter la stabilité des suspensions colloïdales aqueuses. Mots clés : Coquille de silice, Fluorure de gadolinium, Fluorure d’yttrium, Micelles, Microémulsions inverses, Nanoparticules. / The synthesis of yttrium fluoride nanoparticles within reverse microemulsions produces monodisperse population of single crystals of well-defined size and with an octahedral shape. The main advantage of yttrium fluoride is that it can be doped, without loss of crystal structure, in order to confer dopant’s intrinsic properties. Adding a shell of lanthanide fluoride is also possible. Furthermore, the synthesis of nanoparticles for the medical imaging allows to increase the sensor’s sensibility since they contain more active ions then their organic equivalents which, often, contain only one. As part of this project, the lanthanide used as a dopant or to make a shell is gadolinium. Thus, relaxometric properties of different types of nanoparticles, synthetized by the single reverse microemulsion method, are measured and compared. Addition of a silica shell is made in order to increase the colloidal stability of aqueous suspension. Keywords: Gadolinium fluoride, Micelles, Nanoparticles, Reversed microemulsion, Silica shell, Yttrium fluorire.