Modélisation des nanoparticules métalliques et de leur environnement
Les nanoparticules métalliques, et en particulier les nanoparticules d’or (GNP), sont des objets de taille nanométrique qui trouvent leur application dans la nanomédecine, la catalyse ou l’imagerie, grâce à leurs propriétés chimiques, physiques et optiques accordables. Plusieurs équipes expérimentales de l’ICP synthétisent et caractérisent ce type de nanoparticules sous l’effet du rayonnement ionisant pour rationaliser leurs différentes propriétés et comprendre le rôle de l’environnement chimique et biologique. D’un point de vue théorique, le groupe ThéoSim a développé au cours de ces dernières années une stratégie de simulation moléculaire multi-échelle des GNP à l’interface avec différents environnements en lien avec des expériences menées à l’ICP. La complexité des phénomènes mis en jeu est en partie attribuée aux interactions dynamiques avec les ligands de surface et le solvant. Le défi au niveau de la simulation de ces objets est la taille des systèmes mais également les échelles de temps requises pour obtenir des données quantitatives et précises pouvant être comparées aux données expérimentales.
Nous avons montré via des simulations de dynamique moléculaire classique que la première couche de solvatation de l’eau se réorganise progressivement pour former un réseau de liaisons hydrogène étendu à deux dimensions lorsque la taille de la nanoparticule augmente, favorisant simultanément les interactions eau-nanoparticule et eau-eau [Tandiana2021a]. Pour aller plus loin et traiter les effets à n-corps, nous avons implémenté le champ de forces GAL (coll. S. Steinmann), récemment développé pour les interactions entre l’eau et les surfaces métalliques, dans le logiciel Tinker-HP pour permettre le couplage avec le champ de forces polarisable AMOEBA, mettant en évidence l’importance des effets de polarisation dans les propriétés dynamiques [Tandiana-Thèse2022]. De plus, afin d’étudier la dynamique de l’interaction entre la GNP et les ligands de surface, nous nous sommes intéressés à l’adsorption de diverses molécules organiques sur la GNP par des approches DFT couplées à des analyses topologiques et vibrationnelles. Ces études ont mis en évidence la nature non-covalente des interactions entre le ligand et la GNP ainsi que le rôle important de l’orientation de la molécule à la surface sur les spectres IR et Raman qui peuvent être reliés à des données expérimentales obtenues à l’ICP [Tandiana2022, Tandiana2021b].
Enfin, des simulations DFT ont été récemment réalisées pour aider à l’interprétation d’expériences de spectroscopie résolue en temps sur ELYSE afin d’identifier des intermédiaires de la réduction catalytique du CO2 adsorbés à la surface de nano-catalyseurs métalliques (Cu, Au et Ni) [Jiang2023].
Collaborations
Cécile Sicard et Emilie Brun (CPSysBio, ICP), Mehran Mostafavi (TEMiC, ICP), Stephan Steinmman et Carine Michel (Laboratoire de Chimie, ENS Lyon).