Ces travaux portent sur l'élaboration de catalyseurs hétérogènes en milieu liquide ionique (LI). Ces sels liquides à température ambiante permettent d'ajuster les propriétés du solvant suivant la composition chimique du LI mis en jeu (sels d'imidazolium ou Deep Eutectic Solvent à base de chlorure de choline et urée). Ce type de solvant a permis la synthèse et le dépôt de nanoparticules (NPs) d'Au et Au-Pd sur TiO2. Le type de LI utilisé influence la stabilité des NPs en solution, la force de l'interaction métal/support et la nanostructuration des particules bimétalliques. Les performances catalytiques en hydrogénation sélective du butadiène ont montré une amélioration de l'activité des catalyseurs monométalliques à base d'Au en présence de Pd, une promotion de l'activité des catalyseurs (mono-et bimétalliques) par des espèces phosphorées résiduelles issues du LI et une inhibition de l'activité par des espèces soufrées. Des supports TiO2 ont également été préparés en milieu DES. L'utilisation de ce LI et d'un précurseur de Ti spécifique a permis de contrôler la texture et la structure du polymorphe obtenu (anatase, rutile ou mélange anatase-rutile). L'influence de la nature du support a été étudiée en oxydation du CO après dépôt d'Au par dépôt-précipitation à l'urée. Les catalyseurs Au/TiO2 les plus actifs ont été obtenus pour des mélanges anatase-rutile, la proximité entre phases anatase et rutile menant à un optimum de réactivité et de stabilité. / This work deals with the elaboration of heterogeneous catalysts in ionic liquids (ILs). These salts, liquid at room temperature, were chosen because they permit to adjust the solvent properties depending on their chemical composition (imidazolium salts or Deep Eutectic Solvent based on choline chloride and urea). These solvents allowed the synthesis and deposition of Au and Au-Pd nanoparticles (NPs) on TiO2. The IL nature controls the NPs stability in solution, the strength of the metal/support interaction and the nanostructuration of bimetallic particles. The catalysts performances, evaluated by selective hydrogenation, showed an increase in activity of the Au monometallic catalysts after addition of Pd, a promotion of the catalysts activity due to the presence of P residues from the ILs and an inhibition of the activity caused by S species. TiO2 supports were also prepared in DES. The use of this IL, in addition to a specific Ti precursor, led to a textural and structural control of the obtained polymorphs (anatase, rutile or anatase-rutile mixture). The influence of the support type was studied in CO oxidation after Au deposition by urea deposition-precipitation. The most active Au/TiO2 catalysts were obtained with anatase-rutile mixtures, the vicinity between anatase and rutile phases leading to an optimum activity and stability.This work deals with the elaboration of heterogeneous catalysts in ionic liquids (ILs). These salts, liquid at room temperature, were chosen because they permit to adjust the solvent properties depending on their chemical composition (imidazolium salts or Deep Eutectic Solvent based on choline chloride and urea). These solvents allowed the synthesis and deposition of Au and Au-Pd nanoparticles (NPs) on TiO2. The IL nature controls the NPs stability in solution, the strength of the metal/support interaction and the nanostructuration of bimetallic particles. The catalysts performances, evaluated by selective hydrogenation, showed an increase in activity of the Au monometallic catalysts after addition of Pd, a promotion of the catalysts activity due to the presence of P residues from the ILs and an inhibition of the activity caused by S species. TiO2 supports were also prepared in DES. The use of this IL, in addition to a specific Ti precursor, led to a textural and structural control of the obtained polymorphs (anatase, rutile or anatase-rutile mixture). The influence of the support type was studied in CO oxidation after Au deposition by urea deposition-precipitation. The most active Au/TiO2 catalysts were obtained with anatase-rutile mixtures, the vicinity between anatase and rutile phases leading to an optimum activity and stability.

L’étude des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et leur intégration dans des nano-composants requiert leur assemblage dirigé sur des zones parfaitement définies et localisées de surfaces solides. L’objet de cette thèse est le développement d’une méthode d’assemblage dirigé originale: la nanoxérographie par microscope à force atomique (AFM). Cette technique consiste à injecter localement, sur des zones spécifiques, des charges électrostatiques dans un matériau électret par l’intermédiaire d’une pointe d’AFM. Ces charges servent ensuite de pièges électrostatiques sur la surface pour les nanoparticules en solution. Dans le cadre de ce travail, l’injection, la rétention de charges dans de fines couches électrets de PolyMéthylMéthAcrylate (PMMA) et la quantification des densités de charges surfaciques des motifs chargés, ont été étudiées grâce au mode électrique dérivé de l’AFM, le microscope à force Kelvin (KFM). L’étude de l’assemblage de nanoparticules de différentes natures (métal, polymère (organique ou inorganique)), de taille moyenne variable dans un large domaine (2 nm - 1µm) et de potentiel zêta contrôlé a permis d’analyser les mécanismes de dépôt et de montrer les performances de la méthode et son aspect générique. Enfin deux techniques d’injection de charges parallèles ont été mises en place afin d’offrir des perspectives industrielles: le microcontact printing électrique et la nanoimpression électrique / The study of original properties of colloidal nanoparticles and their integration into nanodevices requires their assembly onto specific areas of solid surfaces. The aim of this thesis work is to develop an innovative method for the directed assembly of colloidal nanoparticles: the nanoxerography process by atomic force microscope (AFM). This technique consists in injecting charges into electrets using an AFM tip. The injected charges are then used to electrostatically trap nanoparticles from suspensions onto the surface. In this context, the charge writing and charge decay in PolyMethyMethAcrylate (PMMA) thin films were studied and the charge density of the charged patterns were quantified using Kelvin force microscope (KFM), an electrical mode of AFM. Assemblies of nanoparticles of different nature (metallic, polymeric (organic and inorganic)), with average sizes extending over a large range (2 nm to 1 µm) and controlled zeta potential were obtained on PMMA thin films. This allowed the analysis of assembly mechanisms and demonstration of the excellent performance of the method. Finally, two techniques of parallel charge writing, viz., the electrical microcontact printing and the electrical nanoimprinting were explored with the prospect of extending the nanoxerography process to industrial scale

L’assemblage dirigé de nanoparticules colloïdales sur des surfaces est une étape clé pour l’étude et la caractérisation de leurs propriétés physiques, ainsi que pour l’élaboration de dispositifs fonctionnels les intégrant. Ces travaux de thèse portent sur le développement et l’utilisation d’une technique d’assemblage dirigé rapide, applicable à une large gamme de dispersions colloïdales : la nanoxérographie par microscopie à force atomique (AFM). Le protocole de nanoxérographie par AFM est composé de deux étapes : (i) l’injection de motifs de charges dans un matériau électret, suivie (ii) d’un développement dans une dispersion colloïdale permettant de piéger les nanoparticules en quelques secondes seulement sur les motifs de charges par interaction électrostatique. L’ajustement précis des différents leviers expérimentaux et l’utilisation de dispersions colloïdales synthétisées par voie chimique avec des caractéristiques finement contrôlées nous ont permis d’affiner notre compréhension des mécanismes régissant l’assemblage dirigé par nanoxérographie par AFM et de repousser les limites de cette technique sur trois points précis : les assemblages binaires, l’assemblage de nano-objets individuels et les assemblages multi-couches de nano-objets. Les résultats obtenus ont ensuite été mis à profit pour élaborer des étiquettes de marquage sécurisées micrométriques à base de nanocristaux luminescents de NaYF4 dopés avec des terres rares destinées à la lutte anti-contrefaçon et le traçage de produits. / Directed assembly of colloidal nanoparticles is a fundamental step for observation and quantitative measurement of their physical properties, as well as using them for the conception and manufacturing of innovative functional devices. This research aim to enhance a technique used for fast directed assembly of a wide range of colloidal nanoparticles : atomic force microscopy (AFM) nanoxerography. This technique consists of two steps : (i) injection of charge patterns written on a thin layer of electret, followed by (ii) an immersion of the electret into the colloidal solution. This last step allows nearly instantaneous selective deposition of nanoparticles onto the charge patterns. Fine tuning of few experimental levers and chemical synthesis of customized nanoparticles solution with finely tuned physical properties has allowed us to further our understanding of the assembly obtained with AFM nanoxerography mechanics. Three previously known limitations of the technique have been lifted : binary assembly, single nanoparticle assembly and multilayered assembly. Results obtained have then been used to design and produce microtags out of rare-earth based photo-luminescent NaYF4 nanocrystals, with tremendous potential for product traceability and fight against counterfeiting.

Un grand défi actuel consiste à réaliser des capteurs innovants tirant partie des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et assemblées de manière contrôlée sur des surfaces. L’objet de cette thèse est le développement de jauges de contrainte résistives à base de nanoparticules. Ces jauges de contrainte sont constituées de lignes parallèles, de quelques micromètres de large, denses, de nanoparticules colloïdales d’or synthétisées par voie chimique et assemblées sur des substrats souples par assemblage convectif contrôlé. Le principe de ces capteurs résistifs repose sur la conduction tunnel entre les nanoparticules qui varie de manière exponentielle lorsque que l’assemblée est déformée. Des mesures électro-mécaniques couplées à des observations en microscopie électronique à balayage et à force atomique ont permis d’identifier, de quantifier et de comprendre l’impact de la taille et de la nature des ligands des nanoparticules sur la sensibilité et les phénomènes de dérive de la résistance à vide des jauges de contrainte. Ces travaux, associés à des mesures de diffusion de rayons X aux petits angles ont permis de corréler les variations macroscopiques de résistance électrique des jauges de contrainte aux déplacements relatifs des nanoparticules. Finalement, ces jauges de contrainte ultra-sensibles et miniatures, mises en matrices, ont été exploitées pour réaliser des surfaces tactiles souples multi-points et sensibles à l’intensité de l’appui / One recent big challenge is to implement innovative sensors that take advantage of the unique properties of colloidal nanoparticles chemically synthesized and assembled on various surfaces. The goal of this work is the development of nanoparticle based resistive strain gauges. These strain gauges are constructed of few micrometers wide parallel wires of close packed colloidal gold nanoparticles, chemically synthesized, and assembled on flexible substrates by convective self assembly. The principle of these resistive sensors is based on the tunnel conduction between the adjacent nanoparticles which varies exponentially as the assembly is stretched. Electro-mechanical measurements coupled with scanning electron microscopy and atomic force microscopy observations were used to identify, quantify and understand the impact of the nanoparticle size and the nature of the protecting ligands, on the gauge sensitivity and the drift of the resistance at rest of the nanoparticle based strain gauges. Coupled with small angle x-ray scattering measurements, these studies allowed us to correlate the macroscopic changes in electrical resistance of the strain gauges to the relative displacement of the nanoparticles at the nanoscale. Finally, a matrix of these miniature ultra-sensitive gauges was used to construct flexible touch screen panels capable of measuring the intensity of several touches simultaneously

Grâce à leurs propriétés physiques/chimiques uniques, les nanoparticules colloïdales sont au cœur de nombreuses applications innovantes. Afin de faciliter leur caractérisation ou de les intégrer dans des dispositifs fonctionnels, il est nécessaire de les assembler de manière dirigée sur des surfaces solides. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de mieux comprendre et d’optimiser la technique de nanoxérographie, méthode d’assemblage dirigé où des nanoparticules sont piégées sur des motifs de charges électrostatiques. Après un premier travail consistant à améliorer le procédé de nanoxérographie, trois problématiques spécifiques ont été adressées : (i) l’assemblage de particules micrométriques. Le couplage de simulations numériques et de manipulations expérimentales a permis d’identifier les paramètres clés de l’assemblage de telles particules colloïdales et d’élargir (facteur 100) la gamme de tailles de particules assemblables par nanoxérographie. (ii) l’analyse de l’assemblage multicouche. Par le biais de nanoparticules modèles luminescentes et par la mise en place d’un nouveau protocole d’assemblage, les critères clés génériques pour l’assemblage 3D de colloïdes par nanoxérographie ont été dégagés. (ii) l’assemblage dirigé de nanogels sensibles à un stimulus environnemental extérieur. L’utilisation d’un protocole d’assemblage optimisé a permis d’élaborer des assemblages de nanogels interactifs avec leur environnement et du faire du tri sélectif de ces nanoparticules sur une même surface. / Owing to their unique physico-chemical properties, colloidal nanoparticles are building blocks for the creation of plentiful innovative devices. In order to make easier their characterization and to incorporate them into functional nano-devices, it is necessary to perfectly control their directed assemblies onto solid surfaces. In this context, this thesis’ purpose is to simultaneously better understand and optimize the nanoxerography method, which allows electrostatic and selective directing assemblies of nanoparticles onto charged patterns. After an optimization of the nanoxerography process, three specific problematics have been addressed: (1) micron-sized particles assembly. The combined use of numerical simulations and experiments enabled to unveil the key parameters involved in micron-sized particles assembly and to expend the particle size range foreseeable for an assembly by nanoxerography (factor 100). (2) the 3D assembly analysis. The influence of diverse parameters on the 3D assembly of luminescent model nanoparticles was quantified by using a new assembly protocol. The results gave the generic key criterions for the 3D assembly of colloids by nanoxerography. (3) directed assembly of nanogels sensitive to an external environmental stimulus. The use of an optimized protocol allowed elaborating nanogels assemblies interactive with their environment and to sort these nanoparticles onto the same surface.