Particules de Janus - Janus particles

Une vue schématique d'une particule sphérique de base de Janus avec deux faces distinctes : Les côtés A et B représentent deux surfaces avec des propriétés physiques ou chimiques différentes.

Les particules Janus sont des types particuliers de nanoparticules ou de microparticules dont les surfaces ont au moins deux propriétés physiques distinctes . Cette surface unique de particules Janus permet à deux types différents de chimie de se produire sur la même particule. Le cas le plus simple d'une particule de Janus est obtenu en divisant la particule en deux parties distinctes, chacune d'elles soit constituée d'un matériau différent, soit portant des groupes fonctionnels différents. Par exemple, une particule de Janus peut avoir la moitié de sa surface composée de groupes hydrophiles et l'autre moitié de groupes hydrophobes , les particules peuvent avoir deux surfaces de couleur, de fluorescence ou de propriétés magnétiques différentes. Cela confère à ces particules des propriétés uniques liées à leur structure asymétrique et/ou leur fonctionnalisation.

Histoire

Le terme « particule de Janus » a été inventé par l'auteur Leonard Wibberley dans son roman de 1962 La souris sur la lune en tant que dispositif de science-fiction pour les voyages spatiaux.

Le terme a été utilisé pour la première fois dans un contexte scientifique réel par C. Casagrande et al. en 1988 pour décrire des particules de verre sphériques dont l'un des hémisphères est hydrophile et l'autre hydrophobe. Dans ce travail, les billes amphiphiles ont été synthétisées en protégeant un hémisphère avec un vernis et en traitant chimiquement l'autre hémisphère avec un réactif silane. Cette méthode a abouti à une particule avec des zones hydrophile et hydrophobe égales. En 1991, Pierre-Gilles de Gennes mentionne le terme de particule « Janus » dans sa conférence Nobel . Les particules de Janus sont nommées d'après le dieu romain à deux faces Janus, car on peut dire que ces particules ont "deux faces" car elles possèdent deux types de propriétés distincts. de Gennes a poussé à l'avancement des particules de Janus en soulignant que ces "grains de Janus" ont la propriété unique de s'auto-assembler de manière dense aux interfaces liquide-liquide, tout en permettant le transport de matière à travers les espaces entre les particules amphiphiles solides .

En 1976, Nick Sheridon de Xerox Corporation a breveté un affichage à panneau à boule torsadée, où il fait référence à une « pluralité de particules qui ont une anisotropie électrique ». Bien que le terme « particules de Janus » n'ait pas encore été utilisé, Lee et ses collègues ont également signalé des particules correspondant à cette description en 1985. Ils ont introduit des réseaux asymétriques polystyrène / polyméthacrylate de méthyle issus de la polymérisation en émulsion ensemencée . Un an plus tard, Casagrande et Veyssie rapportent la synthèse de billes de verre rendues hydrophobes sur un seul hémisphère à l'aide d'octadécyl trichlorosilane, tandis que l'autre hémisphère est protégé par un vernis cellulosique. Les billes de verre ont été étudiées pour leur potentiel à stabiliser les processus d'émulsification. Puis plusieurs années plus tard, Binks et Fletcher ont étudié la mouillabilité des billes de Janus à l'interface entre l'huile et l'eau. Ils ont conclu que les particules de Janus sont à la fois tensioactives et amphiphiles, alors que les particules homogènes ne sont que tensioactives. Vingt ans plus tard, une pléthore de particules Janus de différentes tailles, formes et propriétés, avec des applications dans le textile, les capteurs , la stabilisation des émulsions et l'imagerie par champ magnétique ont été signalées. Une variété de particules de janus dans des tailles de 10 um à 53 um de diamètre sont actuellement disponibles dans le commerce auprès de Cospheric, qui détient un brevet sur la méthode de revêtement hémisphérique pour les microéléments.

Synthèse

La synthèse des nanoparticules de Janus nécessite la capacité de créer sélectivement chaque côté d'une particule de taille nanométrique avec différentes propriétés chimiques d'une manière rentable et fiable qui produit la particule d'intérêt avec un rendement élevé. Au départ, c'était une tâche difficile, mais au cours des 10 dernières années, les méthodes ont été affinées pour la rendre plus facile. Actuellement, trois méthodes principales sont utilisées dans la synthèse des nanoparticules de Janus.

Masquage

Vue schématique de la synthèse de nanoparticules de Janus par masquage. 1) Des nanoparticules homogènes sont placées dans ou sur une surface de manière à ce qu'un seul hémisphère soit exposé. 2) La surface exposée est exposée à un produit chimique 3) qui modifie ses propriétés. 4) L'agent masquant est ensuite éliminé, libérant les nanoparticules de Janus.
Exemple de nanoparticules de Janus fabriquées par un procédé de masquage
(a) Représentation schématique d'un processus de microfabrication de masquage. Après avoir créé une monocouche de particules fluorescentes, des bicouches de 1:10 Ti/Au sont déposées sur la moitié supérieure des particules. La plaquette est ensuite placée dans un bécher avec 2 ml d'eau DI et soniquée pendant 2 h pour les remettre en suspension. (b) Les micrographies SEM montrent les trois types de JP fabriqués. La barre d'échelle représente 500 nm.

Le masquage a été l'une des premières techniques développées pour la synthèse de nanoparticules de Janus. Cette technique a été développée en prenant simplement des techniques de synthèse de plus grosses particules de Janus et en les réduisant à l'échelle nanométrique. Le masquage, comme son nom l'indique, implique la protection d'un côté d'une nanoparticule suivie de la modification du côté non protégé et de la suppression de la protection. Deux techniques de masquage sont communes pour produire des particules de Janus, le dépôt par évaporation et une technique où la nanoparticule est suspendue à l' interface de deux phases. Cependant, seule la technique de séparation de phases s'adapte bien à l'échelle nanométrique.

La méthode d'interface de phase consiste à piéger des nanoparticules homogènes à l'interface de deux phases non miscibles. Ces méthodes impliquent généralement les interfaces liquide-liquide et liquide-solide, mais une méthode d'interface gaz-liquide a été décrite.

La méthode d'interface liquide-liquide est mieux illustrée par Gu et al. , qui a fait une émulsion à partir d' eau et d' huile et a ajouté des nanoparticules de magnétite . Les nanoparticules de magnétite se sont agrégées à l'interface du mélange eau-huile, formant une émulsion de Pickering . Ensuite, du nitrate d'argent a été ajouté au mélange, entraînant le dépôt de nanoparticules d'argent à la surface des nanoparticules de magnétite. Ces nanoparticules de Janus ont ensuite été fonctionnalisées par l'ajout de divers ligands ayant une affinité spécifique soit pour le fer soit pour l'argent. Cette méthode peut également utiliser de l'or ou du fer-platine au lieu de la magnétite.

Une méthode similaire est la méthode d'interface gaz-liquide développée par Pradhan et al. Dans cette méthode, des nanoparticules d'or d' alcane thiolate hydrophobe ont été placées dans l'eau, provoquant la formation d'une monocouche des nanoparticules d'or hydrophobes sur la surface. La pression de l'air a ensuite été augmentée, forçant la couche hydrophobe à être poussée dans l'eau, diminuant l' angle de contact . Lorsque l'angle de contact était au niveau souhaité, un thiol hydrophile, le 3-mercaptopropane-1,2-diol, a été ajouté à l'eau, amenant le thiol hydrophile à remplacer de manière compétitive les thiols hydrophobes, entraînant la formation de nanoparticules de Janus amphiphiles.

Les méthodes d'interface liquide-liquide et gaz-liquide ont un problème où les nanoparticules peuvent tourner en solution, provoquant le dépôt d'argent sur plus d'une face. Une méthode d'interface hybride liquide-liquide/liquide-solide a été introduite pour la première fois par Granick et al. comme solution à ce problème de méthode liquide-liquide. Dans cette méthode, de la cire de paraffine fondue a été substituée à l'huile et des nanoparticules de silice à la magnétite. Lorsque la solution a été refroidie, la cire s'est solidifiée, piégeant la moitié de chaque nanoparticule de silice à la surface de la cire, laissant l'autre moitié de la silice exposée. L'eau a ensuite été filtrée et les nanoparticules de silice piégées par la cire ont ensuite été exposées à une solution de méthanol contenant du (aminopropyl)triéthoxysilane, qui a réagi avec les surfaces de silice exposées des nanoparticules. La solution de méthanol a ensuite été filtrée et la cire a été dissoute avec du chloroforme , libérant les particules de Janus nouvellement formées. Liu et al. ont rapporté la synthèse de nanoparticules de silice-aminopropyl-triméthoxysilane Janus en forme de gland et de champignon en utilisant la méthode hybride liquide-liquide/liquide-solide développée par Granick et al. Ils ont exposé des nanoparticules de silice homogènes fonctionnalisées par aminopropyl-triméthoxysilane incorporées dans de la cire à une solution de fluorure d'ammonium , qui a gravé la surface exposée. La méthode hybride liquide-liquide/liquide-solide présente également quelques inconvénients ; lorsqu'elles sont exposées au second solvant pour la fonctionnalisation, certaines des nanoparticules peuvent être libérées de la cire, ce qui donne des nanoparticules homogènes au lieu de Janus. Ceci peut être partiellement corrigé en utilisant des cires avec des points de fusion plus élevés ou en effectuant une fonctionnalisation à des températures plus basses. Cependant, ces modifications entraînent toujours des pertes importantes. Cui et al. a conçu un masque plus durable en film polymère de polydiméthylsiloxane (PDMS) pour créer une interface liquide-liquide/liquide-solide. La partie exposée à être modifiée de la surface des particules peut être ajustée en contrôlant la température et le temps de durcissement du PDMS, ainsi la profondeur d'enrobage des particules. L'avantage de cette méthode de fabrication est que le PDMS est inerte et durable dans de nombreuses solutions de chimie humide, et divers métaux ou oxydes ou alliages tels que l'argent, l'or, le nickel, l'oxyde de titane peuvent modifier la surface exposée. Granick et al. , dans un autre article, a démontré une solution possible en utilisant une méthode hybride liquide-liquide/gaz-solide en immobilisant d' abord des nanoparticules de silice dans de la cire de paraffine à l'aide de la méthode d'interface en phase liquide-solide discutée précédemment, puis en filtrant l'eau. Les nanoparticules immobilisées résultantes ont ensuite été exposées à de la vapeur de silanol produite par barbotage d' azote ou d' argon gazeux à travers du silanol liquide, provoquant la formation d'une face hydrophile. La cire a ensuite été dissoute dans du chloroforme, libérant les nanoparticules de Janus.

Un exemple de technique liquide-solide plus traditionnelle a été décrit par Sardar et al. en commençant par l'immobilisation de nanoparticules d'or sur une surface de verre silanisé. Ensuite, la surface du verre a été exposée au 11-mercapto-1-undécanol, qui s'est lié aux hémisphères exposés des nanoparticules d'or. Les nanoparticules ont ensuite été retirées de la lame à l'aide d' éthanol contenant de l'acide 16-mercaptohexadécanoïque, qui a fonctionnalisé les hémisphères préalablement masqués des nanoparticules.

Auto-assemblage

Copolymères à blocs

Représentation schématique de la synthèse de nanoparticules de Janus par la méthode d'auto-assemblage de copolymères à blocs

Cette méthode utilise les méthodes bien étudiées de production de copolymères séquencés avec des géométries et des compositions bien définies sur une grande variété de substrats. La synthèse de particules de Janus par auto-assemblage via des copolymères à blocs a été décrite pour la première fois en 2001 par Erhardt et al. Ils ont produit un polymère tribloc à partir de polyacrylate de méthyle , de polystyrène et de polybutadiène de bas poids moléculaire . Le polystyrène et le polyacrylate de méthyle ont formé des couches alternées entre lesquelles le polybutadiène était assis en sphères nanométriques. Les blocs ont ensuite été réticulés et dissous dans du THF , et après plusieurs étapes de lavage, ont donné des particules Janus sphériques avec du polystyrène sur une face et du polyacrylate de méthyle sur l'autre, avec un noyau en polybutadiène. La production de sphères , cylindres , feuilles et rubans Janus est possible en utilisant cette méthode en ajustant les poids moléculaires des blocs dans le polymère initial ainsi que le degré de réticulation.

Adsorption compétitive

L'aspect clé de l'absorption compétitive implique deux substrats dont les phases se séparent en raison d'une ou plusieurs propriétés physiques ou chimiques opposées. Lorsque ces substrats sont mélangés à une nanoparticule, typiquement de l'or, ils maintiennent leur séparation et forment deux faces. Un bon exemple de cette technique a été démontré par Vilain et al. , où des nanoparticules d'or recouvertes de phosphinine ont été exposées à des thiols à longue chaîne, ce qui a entraîné la substitution des ligands de phosphinine d'une manière séparée en phases pour produire des nanoparticules de Janus. La séparation de phases a été prouvée en montrant que les thiols formaient un domaine localement pur sur la nanoparticule en utilisant le FT-IR . Jacobs et al. ont démontré un problème majeur avec la méthode d'adsorption compétitive lorsqu'ils ont tenté de synthétiser des nanoparticules de Janus d'or amphiphiles en utilisant l'adsorption compétitive de thiols hydrophobes et hydrophiles . La synthèse démontrée était assez simple et ne comportait que deux étapes. Les premières nanoparticules d'or coiffées de bromure de tétra-n-octylammonium ont été produites. Ensuite, l'agent de coiffage a été retiré, suivi par l'ajout de divers rapports d' oxyde d'éthylène à fonction disulfure hydrophile et d'oligo(p-phénylènevinylène) à fonction disulfure hydrophobe. Ils ont ensuite tenté de prouver que la séparation de phases à la surface des particules se produisait en comparant les angles de contact de l'eau à la surface d'une monocouche des particules de Janus avec des nanoparticules constituées uniquement des ligands hydrophobes ou hydrophobes. Au lieu de cela, les résultats de cette expérience ont montré que même s'il y avait une certaine séparation de phases, elle n'était pas complète. Ce résultat met en évidence que le choix du ligand est extrêmement important et que tout changement peut entraîner une séparation de phase incomplète.

Séparation de phases

Schéma du principe de base de la méthode de séparation de phases de production de nanoparticules de Janus : Deux substances incompatibles (A et B) ont été mélangées pour former une nanoparticule. A et B se séparent ensuite dans leurs propres domaines tout en faisant toujours partie d'une seule nanoparticule.

Cette méthode implique le mélange de deux ou plusieurs substances incompatibles qui se séparent ensuite dans leurs propres domaines tout en faisant toujours partie d'une seule nanoparticule. Ces méthodes peuvent impliquer la production de nanoparticules Janus de deux substances inorganiques ainsi que de deux substances organiques .

Les méthodes typiques de séparation de phases organiques utilisent le cojet de polymères pour produire des nanoparticules de Janus. Cette technique est illustrée par les travaux de Yoshid et al. pour produire des nanoparticules de Janus où un hémisphère a une affinité pour les cellules humaines , tandis que l'autre hémisphère n'a aucune affinité pour les cellules humaines. Ceci a été réalisé en cojetant des copolymères polyacrylamide/poly(acide acrylique) qui n'ont aucune affinité pour les cellules humaines avec des copolymères biotinylés polyacrylamide/poly(acide acrylique) qui, lorsqu'ils sont exposés à des anticorps modifiés à la streptavidine , obtiennent une affinité pour les cellules humaines.

Les méthodes de séparation de phases inorganiques sont diverses et varient considérablement selon l'application. La méthode la plus courante utilise la croissance d'un cristal d'une substance inorganique sur ou à partir d'une autre nanoparticule inorganique. Une méthode unique a été développée par Gu et al. Où de production de fer platine nanoparticules ont été revêtues avec du soufre mis à réagir avec du cadmium acétylacétonate, trioctyle phosphine , et l' hexadécane-1,2 - diol à 100 ° C pour produire des nanoparticules avec un noyau de fer-platine et un amorphe coquille cadmium-soufre. Le mélange a ensuite été chauffé à 280 °C, ce qui a entraîné une transition de phase et une éruption partielle du Fe-Pt du noyau, créant une sphère de Fe-Pt pur attachée à la nanoparticule recouverte de CdS. Une nouvelle méthode de synthèse de nanoparticules inorganiques de Janus par séparation de phases a récemment été développée par Zhao et Gao. Dans cette méthode, ils ont exploré l'utilisation de la méthode synthétique commune de nanoparticules homogènes de synthèse de flamme. Ils ont découvert qu'une solution de méthanol contenant du triacétylacétonate ferrique et du tétraéthylorthosilicate était brûlée, que les composants de fer et de silicium formaient un solide entremêlé, qui subit une séparation de phases lorsqu'il est chauffé à environ 1100 ° C pour produire des nanoparticules de maghémite - silice Janus. De plus, ils ont découvert qu'il était possible de modifier la silice après avoir produit les nanoparticules de Janus, la rendant hydrophobe en la faisant réagir avec de l' oléylamine .

Propriétés et applications

Comportement d'auto-assemblage des nanoparticules de Janus

Deux faces distinctes ou plus des particules Janus leur confèrent des propriétés spéciales en solution. En particulier, il a été observé qu'ils s'auto-assemblent de manière spécifique dans des solutions aqueuses ou organiques. Dans le cas des micelles de Janus sphériques ayant des hémisphères de polystyrène (PS) et de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), une agrégation en amas a été observée dans divers solvants organiques, comme le tétrahydrofurane . De même, les disques Janus composés de côtés de PS et de poly(méthacrylate de tert-butyle) (PtBMA) peuvent subir un empilement dos à dos dans des superstructures lorsqu'ils sont dans une solution organique. Ces particules Janus particulières forment des agrégats dans les solvants organiques étant donné que les deux côtés de ces particules sont solubles dans le solvant organique. Il apparaît que la légère sélectivité du solvant est capable d'induire l'auto-assemblage des particules en amas discrets de particules de Janus. Ce type d'agrégation ne se produit ni pour les copolymères blocs standards ni pour les particules homogènes et est donc une caractéristique spécifique aux particules Janus.

Dans une solution aqueuse, deux types de particules biphasiques peuvent être distingués. Le premier type est constitué de particules véritablement amphiphiles possédant une face hydrophobe et une face hydrophile. Le deuxième type a deux côtés solubles dans l'eau, mais chimiquement distincts. Pour illustrer le premier cas, des études approfondies ont été menées avec des particules sphériques de Janus composées d'un hémisphère de PMAA soluble dans l'eau et d'un autre côté de polystyrène insoluble dans l'eau. Dans ces études, les particules Janus se sont agrégées à deux niveaux hiérarchiques . Le premier type d'agrégats auto-assemblés ressemble à de petits amas, similaire à ce que l'on trouve pour le cas des particules de Janus dans une solution organique. Le deuxième type est sensiblement plus gros que le premier et a été appelé « super micelles ». Malheureusement, la structure des supermicelles est inconnue à ce jour ; cependant, ils peuvent être similaires aux vésicules multilamellaires .

Pour le deuxième cas de particules de Janus qui contiennent deux faces distinctes, mais toujours solubles dans l'eau, les travaux du groupe de Granick donnent un aperçu. Leurs recherches portent sur le regroupement de particules dipolaires ( zwitterioniques ) de Janus micronisées, dont les deux faces sont toutes deux entièrement solubles dans l'eau. Les particules zwitterioniques de Janus ne se comportent pas comme des dipôles classiques , car leur taille est beaucoup plus grande que la distance à laquelle les attractions électrostatiques sont fortement ressenties. L'étude des particules zwitterioniques de Janus démontre une fois de plus leur capacité à former des amas définis. Cependant, ce type particulier de particule de Janus préfère s'agréger en amas plus grands car cela est plus favorable sur le plan énergétique car chaque amas porte un dipôle macroscopique qui permet l'agrégation d'amas déjà formés en assemblages plus grands. Par rapport aux agrégats formés par les interactions de van der Waals pour les particules homogènes, les formes des nanoclusters zwitterioniques de Janus sont différentes et les clusters de Janus sont moins denses et plus asymétriques.

Modification de l'auto-assemblage à l'aide du pH

L'auto-assemblage de certains types de particules Janus peut être contrôlé en modifiant le pH de leur solution. Lattuada et al. nanoparticules préparées dont une face est recouverte d'un polymère sensible au pH (acide polyacrylique, PAA) et l'autre d'un polymère chargé positivement (méthacrylate de poly diméthylaminoéthyle, PDMAEMA), d'un polymère chargé négativement et insensible au pH, ou d'un polymère sensible à la température polymère (poly-N-isopropylacrylamide, PNIPAm). En modifiant le pH de leur solution, ils ont remarqué un changement dans le regroupement de leurs nanoparticules de Janus. À des valeurs de pH très élevées, où le PDMAEMA est non chargé tandis que le PAA est fortement chargé, les nanoparticules de Janus étaient très stables en solution. Cependant, en dessous d'un pH de 4, lorsque le PAA n'est pas chargé et que le PDMAEMA est chargé positivement, ils forment des amas finis. À des valeurs de pH intermédiaires, ils ont constaté que les nanoparticules de Janus étaient instables en raison de l' interaction dipolaire entre les hémisphères chargés positivement et négativement.

Réversibilité de la formation des clusters et contrôle de la taille des clusters

Le contrôle de la taille des amas pour l' agrégation des nanoparticules de Janus a également été démontré. Lattuada et al. a obtenu le contrôle de la taille des amas de particules Janus avec une face PAA et l'autre soit PDMAEMA ou PNIPAm en mélangeant de petites quantités de ces nanoparticules Janus avec des particules revêtues de PAA. Une caractéristique unique de ces clusters était que les particules stables pouvaient être récupérées de manière réversible lorsque les conditions de pH élevé étaient rétablies. De plus, les nanoparticules de Janus fonctionnalisées avec PNIPAm ont montré qu'une agrégation contrôlée et réversible pouvait être obtenue en augmentant la température au-dessus de la température de solubilité critique inférieure de PNIPAm.

Propriétés amphiphiles

Une caractéristique importante des nanoparticules de Janus est la capacité d'avoir à la fois des parties hydrophiles et hydrophobes. De nombreux groupes de recherche ont étudié les activités de surface de nanoparticules aux propriétés amphiphiles. En 2006, les nanoparticules de Janus, constituées d' or et d'oxydes de fer , ont été comparées à leurs homologues homogènes en mesurant la capacité des particules à réduire la tension interfaciale entre l'eau et le n-hexane . Les résultats expérimentaux ont indiqué que les nanoparticules de Janus sont considérablement plus tensioactives que les particules homogènes de taille et de nature chimique comparables. De plus, l'augmentation du caractère amphiphile des particules peut augmenter l'activité interfaciale. La capacité des nanoparticules de Janus à abaisser la tension interfaciale entre l'eau et le n-hexane a confirmé les prédictions théoriques précédentes sur leur capacité à stabiliser les émulsions de Pickering .

En 2007, la nature amphiphile des nanoparticules de Janus a été examinée en mesurant la force d' adhésion entre la pointe de la microscopie à force atomique (AFM) et la surface des particules. Les interactions plus fortes entre la pointe hydrophile de l' AFM et le côté hydrophile des nanoparticules de Janus se sont traduites par une plus grande force d' adhésion . Les nanoparticules de Janus ont été déposées sur des substrats modifiés de manière hydrophobe et hydrophile. L'hémisphère hydrophobe des particules de Janus a été exposé lorsqu'une surface de substrat hydrophile a été utilisée, ce qui a entraîné des disparités dans les mesures de force d'adhérence. Ainsi, les nanoparticules de Janus ont adopté une conformation qui maximise les interactions avec la surface du substrat.

La nature des nanoparticules amphiphiles de Janus pour s'orienter spontanément à l'interface entre l'huile et l'eau est bien connue. Ce comportement permet de considérer les nanoparticules de Janus amphiphiles comme des analogues de tensioactifs moléculaires pour la stabilisation des émulsions. En 2005, des particules de silice sphériques aux propriétés amphiphiles ont été préparées par modification partielle de la surface externe avec un agent alkylsilane. Ces particules forment des assemblages sphériques encapsulant des composés organiques non miscibles à l'eau dans des milieux aqueux en faisant face leur face hydrophobe alkylsilylée à la phase organique interne et leur face hydrophile à la phase aqueuse externe, stabilisant ainsi les gouttelettes d'huile dans l'eau. En 2009, la surface hydrophile des particules de silice a été rendue partiellement hydrophobe par adsorption de bromure de cétyltriméthylammonium . Ces nanoparticules amphiphiles s'assemblent spontanément à l' interface eau- dichlorométhane . En 2010, des particules Janus composées de silice et de polystyrène, avec la partie polystyrène chargée de particules de magnétite nanométriques , ont été utilisées pour former des émulsions huile-dans-eau cinétiquement stables qui peuvent être spontanément brisées lors de l'application d'un champ magnétique externe. De tels matériaux Janus trouveront des applications dans les commutateurs optiques à commande magnétique et d'autres domaines connexes. Les premières applications réelles des nanoparticules de Janus ont été dans la synthèse de polymères . En 2008, les nanoparticules de Janus amphiphiles sphériques, ayant un côté polystyrène et un côté poly(méthacrylate de méthyle) , se sont avérées efficaces en tant qu'agents de compatibilité de la compatibilité à l'échelle multigramme de deux mélanges de polymères non miscibles, le polystyrène et le poly(méthacrylate de méthyle). Les nanoparticules de Janus se sont orientées à l'interface des deux phases polymères, même dans des conditions de température et de cisaillement élevées, permettant la formation de domaines beaucoup plus petits de poly(méthacrylate de méthyle) dans une phase de polystyrène. Les performances des nanoparticules de Janus en tant qu'agents de compatibilité étaient significativement supérieures à celles d'autres agents de compatibilité de pointe, tels que les copolymères séquencés linéaires .

Stabilisants dans les émulsions

Une application similaire des nanoparticules de Janus en tant que stabilisants a été montrée dans la polymérisation en émulsion . En 2008, des nanoparticules de Janus amphiphiles sphériques ont été appliquées pour la première fois à la polymérisation en émulsion de styrène et d'acrylate de n-butyle. La polymérisation n'a pas nécessité d'additifs ou de techniques de polymérisation en mini-émulsion, comme le font d'autres polymérisations en émulsion de Pickering. De plus, en appliquant des nanoparticules de Janus, la polymérisation en émulsion a produit des tailles de particules très bien contrôlées avec de faibles polydispersités.

Catalyseur d'interphase Janus

Le catalyseur d'interphase Janus est une nouvelle génération de catalyseurs hétérogènes, capable de faire des réactions organiques à l'interface de deux phases via la formation d'une émulsion de Pickering.

Catalyseur dans la décomposition du peroxyde d'hydrogène

En 2010, des nanoparticules sphériques de silice Janus avec une face recouverte de platine ont été utilisées pour la première fois pour catalyser la décomposition du peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2 ). La particule de platine catalyse la réaction chimique de surface : 2H 2 O 2 → O 2 + 2H 2 O. La décomposition du peroxyde d'hydrogène a créé des nanomoteurs catalytiques Janus, dont le mouvement a été analysé expérimentalement et théoriquement à l'aide de simulations informatiques. Le mouvement des nanoparticules sphériques de Janus s'est avéré en accord avec les prédictions des simulations calculées. En fin de compte, les nanomoteurs catalytiques ont des applications pratiques dans la livraison de charges utiles chimiques dans des puces microfluidiques , l'élimination de la pollution dans les milieux aquatiques, l'élimination des produits chimiques toxiques dans les systèmes biologiques et la réalisation de procédures médicales.

En 2013, sur la base des résultats de la simulation informatique, il a été démontré que les particules Janus automotrices peuvent être utilisées pour la démonstration directe du phénomène de non-équilibre, l' effet cliquet . Le cliquet des particules de Janus peut être de plusieurs ordres de grandeur plus fort que pour les cliquets à potentiel thermique ordinaires et donc facilement accessible expérimentalement. En particulier, le pompage autonome d'un grand mélange de particules passives peut être induit en ajoutant simplement une petite fraction de particules Janus.

Fibres hydrofuges

En 2011, les nanoparticules de Janus se sont avérées applicables dans les textiles. Des fibres hydrofuges peuvent être préparées en enduisant un tissu de polyéthylène téréphtalate avec des nanoparticules de Janus sphériques amphiphiles. Les particules Janus se lient au côté réactif hydrophile de la surface textile, tandis que le côté hydrophobe est exposé à l'environnement, assurant ainsi le comportement hydrofuge. Une taille de particule Janus de 200 nm s'est avérée se déposer à la surface des fibres et était très efficace pour la conception de textiles hydrofuges.

Applications en sciences biologiques

Les progrès révolutionnaires des sciences biologiques ont conduit à une évolution vers des matériaux sur mesure dotés de propriétés physiques/chimiques conçues avec précision à l'échelle nanométrique. Les nanoparticules de Janus jouent intrinsèquement un rôle crucial dans de telles applications. En 2009, un nouveau type de matériau bio-hybride composé de nanoparticules de Janus avec une affinité spatialement contrôlée envers les cellules endothéliales humaines a été signalé. Ces nanoparticules ont été synthétisées par modification de surface sélective avec un hémisphère présentant une affinité de liaison élevée pour les cellules endothéliales humaines et l'autre hémisphère étant résistant à la liaison cellulaire. Les nanoparticules de Janus ont été fabriquées par jet électrohydrodynamique de deux solutions liquides de polymère. Lorsqu'elles ont été incubées avec des cellules endothéliales humaines, ces nanoparticules de Janus ont présenté un comportement attendu, où une face se lie aux cellules endothéliales humaines, tandis que l'autre face ne se lie pas. Ces nanoparticules de Janus non seulement se sont liées au sommet des cellules endothéliales humaines, mais se sont également associées tout autour du périmètre des cellules formant un revêtement de particule unique. La biocompatibilité entre les nanoparticules de Janus et les cellules était excellente. Le concept est de concevoir à terme des sondes basées sur des nanoparticules de Janus pour obtenir des informations directionnelles sur les interactions cellule-particule.

Nanocoraux

En 2010, un nouveau type de sonde cellulaire synthétisée à partir de nanoparticules de Janus appelée nanocoral, combinant ciblage spécifique cellulaire et détection biomoléculaire, a été présenté. Nanocoral est composé d'hémisphères de polystyrène et d'or. L'hémisphère en polystyrène du nanocorail a été fonctionnalisé sélectivement avec des anticorps pour cibler les récepteurs de cellules spécifiques. Cela a été démontré en fonctionnalisant la région du polystyrène avec des anticorps qui se sont spécifiquement attachés aux cellules cancéreuses du sein. La région d'or de la surface du nanocorail a été utilisée pour la détection et l'imagerie. Ainsi, les mécanismes de ciblage et de détection ont été découplés et pourraient être conçus séparément pour une expérience particulière. De plus, la région de polystyrène peut également être utilisée comme support de médicaments et d'autres produits chimiques par adsorption ou encapsulation hydrophobe de surface , faisant du nanocorail un possible nanocapteur multifonctionnel .

Imagerie et thérapie magnétolytique

Toujours en 2010, les nanoparticules de Janus synthétisées à partir de nanoparticules magnétiques hydrophobes d'un côté et de poly(styrène-bloc-alcool allylique) de l'autre ont été utilisées pour l'imagerie et la thérapie magnétolytique. Le côté magnétique des nanoparticules de Janus a bien répondu aux stimuli magnétiques externes. Les nanoparticules ont été rapidement fixées à la surface des cellules à l'aide d'un champ magnétique. La thérapie magnétolytique a été obtenue grâce à des dommages de la membrane cellulaire modulés par le champ magnétique. Tout d'abord, les nanoparticules ont été mises en contact étroit avec les cellules tumorales, puis un champ magnétique tournant a été appliqué. Après 15 minutes, la majorité des cellules tumorales ont été tuées. Les nanoparticules magnétiques de Janus pourraient servir de base à des applications potentielles en médecine et en électronique. Des réponses rapides aux champs magnétiques externes pourraient devenir une approche efficace pour l'imagerie ciblée, la thérapie in vitro et in vivo , et le traitement du cancer. De même, une réponse rapide aux champs magnétiques est également souhaitable pour fabriquer des écrans intelligents, ouvrant de nouvelles opportunités en électronique et en spintronique .

En 2011, des nanoparticules de Janus recouvertes de silice, composées d' oxyde d'argent et d'oxyde de fer (Fe 2 O 3 ), ont été préparées en une seule étape avec la technologie d'aérosol à flamme évolutive. Ces nanoparticules hybrides plasmoniques-magnétiques possèdent des propriétés applicables à la bio-imagerie, à l'administration ciblée de médicaments, au diagnostic in vivo et à la thérapie. Le but de la coque nanofine de SiO 2 était de réduire la libération d' ions Ag + toxiques de la surface des nanoparticules vers les cellules vivantes. En conséquence, ces nanoparticules hybrides n'ont montré aucune cytotoxicité pendant la bio-imagerie et sont restées stables en suspension sans aucun signe d'agglomération ou de décantation, permettant ainsi à ces nanoparticules de devenir des sondes multifonctionnelles biocompatibles pour la bio-imagerie. Ensuite, en marquant leurs surfaces et en les liant sélectivement à la membrane des cellules Raji et HeLa marquées en direct , cela a démontré les nanoparticules en tant que biomarqueurs et leur détection sous éclairage à fond noir a été réalisée. Ces nouvelles nanoparticules hybrides de Janus ont surmonté les limitations individuelles de Fe 2 O 3 (mauvaise stabilité des particules en suspension) et des nanoparticules d' Ag (toxicité), tout en conservant les propriétés magnétiques souhaitées de Fe 2 O 3 et les propriétés optiques plasmoniques de Ag .

Applications en électronique

L'application potentielle des particules de Janus a été démontrée pour la première fois par Nisisako et al. , qui a utilisé l' anisotropie électrique des particules de Janus remplies de pigments blancs et noirs dans les deux hémisphères. Ces particules ont été utilisées pour fabriquer des écrans commutables en plaçant une fine couche de ces sphères entre deux électrodes . En changeant le champ électrique appliqué , les particules orientent leurs côtés noirs vers l' anode et leurs côtés blancs vers la cathode . Ainsi, l'orientation et la couleur de l'affichage peuvent être modifiées en inversant simplement le champ électrique. Avec cette méthode, il peut être possible de fabriquer des écrans très minces et respectueux de l'environnement.

Les particules de graphène Janus ont été utilisées dans des batteries expérimentales sodium-ion pour augmenter la densité énergétique . Un côté fournit des sites d'interaction tandis que l'autre fournit une séparation entre les couches. La densité énergétique atteint 337 mAh/g.

Les références

Liens externes