Les nanodiamants (ND) font actuellement l'objet de recherches actives en raison de leurs propriétés uniques et de leurs applications potentielles dans les domaines de l’énergie, des technologies quantiques et de la nanomédecine. La chimie de surface de ces nanoparticules de diamant influence fortement leurs propriétés physico-chimiques (comportement semi-conducteur, propriétés colloïdales, interaction avec l'eau et la lumière). Cette étude vise à réaliser une analyse chimique, par spectroscopie de photoémission X, de la surface des ND — c’est-à-dire de leurs premières couches atomiques — entourée de molécules d’eau.
Ces travaux ont été menés sur la ligne de lumière PLEIADES du synchrotron SOLEIL par des chercheurs du NIMBE (CEA-CNRS UMR), sur des ND isolés dans un jet aérodynamique. Pour la première fois, les résultats ont mis en évidence l’effet de molécules d’eau résiduelles sur différentes chimies de surface des ND.
Les propriétés électroniques des nanodiamants dépendent fortement de leur état de surface (oxydé ou hydrogéné). Ces nanoparticules peuvent être stabilisées en milieu aqueux, où elles présentent des propriétés colloïdales variées selon leur chimie. De tels colloïdes de ND peuvent ensuite être utilisés pour activer des réactions chimiques sous lumière : réduction du CO₂, production d’hydrogène, ou encore dégradation de polluants.
L’interface ND/eau, impliquée dans ces processus, fait encore l’objet de nombreuses recherches. Dans cette étude, les scientifiques ont exploré par photoémission la chimie de surface superficielle des ND entourés de molécules d’eau. Le rayonnement X synchrotron, dont l’énergie peut être ajustée, a permis de sonder les premières couches atomiques des ND (soit environ 0,3 nanomètre).
Ces mesures de photoémission ont permis d’établir la structure électronique des ND hydrogénés et oxydés, en bon accord avec les données de la littérature. Parallèlement, un signal significatif a été observé pour des espèces oxydées, quelle que soit la chimie de surface des ND. Cette observation est plutôt inattendue pour des ND hydrogénés. Deux hypothèses principales peuvent expliquer ce résultat :
- une répartition spatiale différente des liaisons carbone/oxygène selon la chimie de surface,
- des interactions labiles entre la surface des ND et des molécules d’eau adsorbées.
De telles mesures de photoémission requièrent le dispositif expérimental disponible sur la ligne PLEIADES de SOLEIL. Celui-ci permet, dans un premier temps, à partir d’un colloïde aqueux stable, de produire un jet focalisé de ND. Ce faisceau de ND isolés croise ensuite le faisceau de rayons X mous à énergie réglable, et les photoélectrons émis sont analysés par spectroscopie.
Figure 1 : Comparaison entre les spectroscopies de photoémission X conventionnelle et en aérosol.
Ces nouveaux résultats apportent une meilleure compréhension de la véritable interface formée avec les molécules d’eau lorsque les ND sont en colloïdes aqueux. Il s’agit d’une étape importante pour approfondir l’étude des performances photocatalytiques des ND sous lumière visible.
La prochaine étape consistera à étudier ces ND totalement solvatés dans un micro-jet liquide. La stabilité d’un tel jet a déjà été démontrée en couplant le dispositif d’injection dédié aux nanoparticules de PLEIADES au dispositif de micro-jet de la ligne de lumière GALAXIES, et un premier signal photoélectronique a déjà été enregistré.
Un projet de recherche complet a donc été soumis lors du dernier appel à projets en date, en septembre 2025.