Préparation de nanofeuillets Janus pour des matériaux hybrides fonctionnels pour de multiples applications // 106 / 5 000 Preparation of Janus nanosheets for functional hybrid materials for multiple applications

Les effets de volume exclu représentent le volume occupé par une particule, inaccessible aux autres, et s'apparentent à des forces répulsives contre l'interpénétration physique des colloïdes, conduisant à la formation spontanée entropique de phases organisées : CL et cristallines à des faibles fractions volumiques. Si les effets de volumes exclu sont relativement bien compris pour des dispersions constituées d'une distribution monocolloïdale et rendent compte de la formation de phases autoassemblées , ces phénomènes sont plus difficiles à appréhender pour des systèmes associant plusieurs colloïdes de différentes natures et tailles et où les effets de surface ou d'interface peuvent générer des effets antagonistes, permettant d'apporter une structuration supplémentaire dans la formation des édifices formés.

Les oxydes de graphène (GO) de même que les oxydes de niobium constituent des nanofeuillets anisotropes qui une fois dispersés en milieu aqueux à une concentration appropriée (faible fraction volumique) forment des phases CL sans aucun dispositif, ni conditions expérimentales (pH, électrolyte) particuliers, et s'avèrent être des systèmes modèles pour la compréhension de la formation des phases CL associés à d'autres objets colloïdaux. La modification chimique d'un des côtés de ces nanocristaux bidimensionnels, s'appuyant sur des procédés de la science des colloïdes (émulsions Pickering ou via des systèmes de microfluidiques) et/ou le greffage de surface de particules inorganiques, permet d'obtenir des nanofeuillets de type Janus montrant une nature chimique différente sur les deux surfaces des feuillets (un côté est hydrophile tandis que l'autre est hydrophobe ou encore une possible combinaison de charges électriques différentes), élargissant les propriétés et possibilités d'application de ces matériaux. Les récents développements consacrés aux nanofeuillets de type Janus se sont attachés à la synthèse de ces matériaux et la caractérisation de leurs propriétés d'adsorption ou de leur utilisation comme phase porteuse pour la préservation de molécules pharmaceutiques et/ou autres molécules organiques à forte valeur ajoutée et leur relargage sans toutefois comprendre les possibles arrangements et formations de phases autoorganisés pilotées par les effets de volumes exclus et de surfaces, mais également de la stabilité de ces objets de basse dimensionalité en présence d'autres phases colloïdales.

Aussi, cette thèse expérimentale s'inscrivant dans les axes de recherche de l'équipe ‘Colloïdes et Polymères' à l'ICMN et s'appuyant sur son excellent parc analytique avec des techniques expérimentales récentes (diffusion des rayons X aux petits angles, diffusion Raman, spectrométrie photoélectronique X, microscopie à force atomique, rhéologie…), a pour objectifs de (i) synthétiser des nanofeuillets de type Janus montrant une nature chimique différente des deux côtés des nanocristaux bidimensionnels, (ii) d'étudier les effets de volumes exclus déterminant la possible formation de phases de type cristal liquide à partir des nanofeuillets Janus dans divers solvants à basse fraction volumique et d'en cerner leur stabilité, (iii) d'associer les nanofeuillets Janus les plus pertinents avec des d'autres phases organiques autoassemblées : tensioactifs non ioniques de la famille des oxydes d'éthylène (CnEm), des phases lipidiques ou polymériques de référence. Après identification du rôle des effets de volumes exclus et d'interfaces résultants entre les différents objets colloïdaux, les phases organiques utilisées comme systèmes modèles permettront d'ajouter des possibles effets cumulatifs dans les assemblages obtenus, pour obtenir des composites hiérarchiques pour de multiples applications : énergie, environnement et santé.
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Excluded volume represents the volume occupied by a colloid, inaccessible to others, which can be modelled as repulsive forces against the physical interpenetration of colloids, leading to the spontaneous entropic formation of LC organized phases. If the effects of excluded volumes are relatively well understood for monocolloidal distribution, these mechanisms are not straightforward for distributions of colloids, with different size and nature, for which the surface state may contribute to antagonistic effects, facilitating or not the structuration of the formed buildings.

Graphene oxides (GO) as well as niobium oxides constitute anisotropic (2D geometry) nanosheets which, once dispersed in an aqueous medium at an appropriate concentration (low volume fraction), form spontaneous LC phases without any device, nor experimental conditions. Thus, these 2D nanocrystals were used as model systems for understanding the formation of LC phases associated with other colloidal objects. The chemical modification of one side of the nanosheets, based colloid science processes (Pickering emulsions or through microfluidic systems) and/or surface grafting of inorganic particles, drives to the formation of Janus-type nanosheets showing a different chemical nature on the two surfaces of the sheets (one side is hydrophilic while the other shows a hydrophobic behavior), enlarging thus the properties and application possibilities of these materials. While Janus- nanosheets have been successfully synthesized, the majority of the research works stresses the efforts on the optimization of the synthesis protocol and the direct practical uses of the Janus colloidal systems: host carrier phases for organic compounds, adsorption matrixes as remediation strategies for wastewater…, no study tackles the understanding in the formation of LC phases based on Janus nanosheets, nor the stability of these low-dimensional objects in the presence of other colloidal phases.

Thus, this experimental PhD project, inscribed in the research axis of the 'Colloids and Polymers' team at the ICMN laboratory (where an excellent analytical platform is provided: small angle X-ray scattering, Raman scattering, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, rheology etc.), aims at: (i) synthesizing Janus-type nanosheets showing a different chemical nature on both sides of the two-dimensional nanocrystals, (ii) studying the effects of excluded volumes which can be counterbalanced by the effects of the surface of Janus nanosheets in the formation of LC phases at low volume fraction and to determine their stability in different solvents, (iii) associating the most appropriate Janus nanosheets with other self-organized organic phases: poly-alkyl ethylene oxides of the non-ionic surfactant (CnEm) family, and other referenced lipid or polymeric systems (depending on the obtained results). After identifying the role of the effects of excluded volumes and those of interfaces between the different colloidal objects, the organic phases used as model systems will make it possible to add further cumulative effects in the resulting assemblies based on both Janus nanosheets and the organic amphiphilic systems with possible obtention of hierarchical composites for multiple applications: energy, environment and health.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Enseignement supérieur

Université d'Orléans

552 Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU

Pour postuler à cette thèse, le/la candidat·e devra être titulaire d'un Master en science des matériaux, en physique, en chimie des matériaux ou bien d'une école d'ingénieur. Une bonne maîtrise de l'anglais, à l'écrit comme à l'oral, est indispensable. Une expérience à l'international (séjour académique, stage ou collaboration) sera fortement appréciée. Le/la candidat·e devra également posséder de solides compétences en chimie ainsi qu'une expérience pratique des techniques expérimentales de laboratoire.
Candidates must hold a Master's degree in materials science, physics, materials chemistry, and/or a diploma of engineer in materials science, chemistry or physics. Fluency in English, both written and spoken, is essential. International experience (academic exchange, internship, or collaboration) is highly desirable. Candidates must also possess strong chemistry skills and practical experience in laboratory experimental techniques.