Or colloïdal

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Différents coloris de l'or colloïdal : carmin, rose, rouge, pourpre et violet

L'or colloïdal est une suspension de nanoparticules d'or dans un milieu fluide qui peut être l'eau ou un gel. Selon la taille et la concentration des particules en suspension, sa couleur varie du rouge vif (pour des particules de moins de 100 nanomètres), au jaunâtre (pour les particules les plus grosses)[1],[2],[3].

Connu depuis une époque reculée, l'or colloïdal fut à l'origine utilisé pour colorer le verre et la porcelaine. L'étude scientifique de ce mélange homogène ne débuta qu'avec les travaux de Michael Faraday dans les années 1850[4],[5].

En raison de leurs propriétés optiques, électroniques et de reconnaissance moléculaire uniques, les nanoparticules d'or font l'objet de recherches approfondies, avec de multiples domaines d'applications comme la microscopie électronique, l'électronique, les nanotechnologies[6],[7], la science des matériaux et la nanomédecine[8].

Les propriétés et les applications des nanoparticules d'or colloïdal dépendent de leur forme. Par exemple les particules en bâtonnets ont un pic d'absorption lumineuse à la fois transverse et longitudinal, et cette anisotropie conditionne leur propre cohésion[9].

Histoire[modifier | modifier le code]

L'or collidal est connu et utilisé depuis l'antiquité romaine. Au XVIIe siècle, plusieurs chimistes s'intéressent à un procédé de fabrication par réaction de l'or avec l'étain, qui aboutit à un pigment de couleur pourpre. Ce dernier, mis en suspension aqueuse, permet d'obtenir une variété d'or colloïdal.

Article détaillé : Pourpre de Cassius.

Bien que cette préparation porte le nom d'Andreas Cassius (1605-1673)[10], la préparation était déjà connue 25 ans auparavant et décrite par les chimistes allemands Johann Rudolf Glauber (1604-1670)[11] et Johann Kunckel (1630-1703)[12]. Cette « pourpre de Cassius » était d'ailleurs déjà utilisée dans une usine de Potsdam en 1679[13].

La préparation consistait à plonger une lame d'étain dans une solution contenant de l'or. On décompose le chlorure d'or par le protochlorure et le dichlorure d'étain. Le dépôt pourpre qu'on obtenait était lavé à l'eau distillée et séché avec soin.

La « pourpre de Cassius » se dissout dans le verre fondu ou le cristal, qu'elle colore en rosé ou en rouge rubis foncé (« rubis de Kunkel ») : elle était aussi employée pour la porcelaine, notamment la réalisation des porcelaines dites de la « famille rose », sous la dynastie Qing. Cette technique aurait déjà été utilisée par les Romains pour préparer les verres rubis couleur de sang Hematinum, d'après la lecture de Pline l'Ancien[14]. Chlorure d'or utilisé en céramique : Antoine Salomon Taunay était un orfèvre du début du XVIIIe siècle siècle qui créa la pourpre de Cassius pour la manufacture royale de Sèvres.

L'or colloïdal fut étudié par Richard Adolf Zsigmondy qui obtint le prix Nobel de chimie en 1925 pour ses travaux sur les colloïdes.

Synthèses[modifier | modifier le code]

Les solutions d'or colloïdal sont principalement préparées par réduction de sels d'or, typiquement l'acide chloraurique (HAuCl4). Après dissolution du sel d'or, la solution est agitée vigoureusement et l'agent réducteur est ajouté, réduisant les ions Au3+ en atomes d'or neutres. Au cours de la réaction de plus en plus d'atomes d'or sont produits, la solution devient sursaturée et les atomes d'or commencent à précipiter sous la forme de particules sub-nanométriques. Les atomes d'or en solution s’agrègent autour de ces particules, et si la solution est bien agitée on peut obtenir une taille de particule homogène. Afin d'éviter que les particules s'agrègent entre elles, des agents stabilisant peuvent être ajoutés.

Méthode de Turkevich et Frens[modifier | modifier le code]

La méthode de synthèse d'or colloïdal la plus simple est décrite en 1951 par Turkevich[15], puis revue dans les années 1970 par Frens[16],[17]. Elle produit généralement des nanoparticules d'or relativement monodisperses, avec un diamètre de l'ordre de 10 à 20 nm. La synthèse repose sur la réaction de petites quantités d'HAuCl4 chaud avec de petites quantités de citrate de sodium en solution, celui-ci jouant à la fois le rôle d'agent réducteur et d'agent stabilisant. La formation des nanoparticules d'or passe par un état intermédiaire dans lequel des nanofils d'or sont créés, ce qui explique la couleur très foncée observée durant la réaction avant l'apparition d'une couleur rubis caractéristique[18]. Des particules plus grosses peuvent être produites en diminuant la quantité de citrate de sodium, mais ces particules présentent une monodispersité et des formes moins homogènes.

Méthode de Brust[modifier | modifier le code]

La méthode décrite par Brust en 1994 permet de préparer des solutions colloïdales d'or dans des solvants organiques non miscibles avec l'eau, comme le toluène[19]. Le diamètre moyen des nanoparticules formées est de l'ordre de 1 à 5 nm[19],[20]. Dans cette synthèse, l'acide chloraurique réagit avec du tétrahydruroborate de sodium, qui joue le rôle d'agent réducteur, en présence de bromure de tetraoctylammonium (en), qui joue le rôle d'agent stabilsant et de catalyseur de transfert de phase. Le bromure de tetraoctylammonium ne se lie pas très fortement à la surface de l'or, et progressivement au bout de deux semaines les nanoparticules s'agrègent et précipitent. L'utilisation de thiols, et notamment d'alcanethiols, permet de prévenir cette agrégation et d'obtenir des solutions colloïdales quasi permanentes.

Méthode de Perrault et Chan[modifier | modifier le code]

En 2009, Perrault et Chan décrivent la synthèse de solutions d'or colloïdal de diamètre de l'ordre de 50 à 200 nm en utilisant l'hydroquinone comme réducteur de l'acide chloraurique en solution aqueuse contenant des nanoparticules d'or plus petites[21]. L'utilisation de citrate permet de contrôler la croissance des nanoparticules. Cette méthode est un complément de la méthode de Turkevich et Frens afin d'obtenir de particules sphérique et monodisperses de plus grande taille.

Sonochimie[modifier | modifier le code]

Des nanofils d'or de 30 à 50 nm de diamètre et quelques micromètres de long peuvent être préparés par sonochimie[22]. À partir d'une solution aqueuse de glucose, des ultrasons génèrent des radicaux hydroxyle qui permettent de réduire l'acide chloraurique en nanofils d'or. Ces nanofils sont très flexibles et peuvent former des angles supérieurs à 90 °. Quand le glucose est remplacé par de la cyclodextrine (un oligomère du glucose), les particules formées sont sphériques, suggérant un rôle particulier du glucose sur la morphologie des nanofils.

Méthode des copolymères séquencés[modifier | modifier le code]

L'utilisation de copolymères séquencés pour la synthèse d'or colloïdal, décrite par Alexandridis en 2005[23], est une méthode économique, rapide et avec un faible impact sur l'environnement. Le copolymère joue dans ce cas à la fois le rôle de réducteur et d'agent stabilisant. Une variante de cette méthode permet d'obtenir des concentrations en nanoparticules d'or plus importantes en ajoutant du citrate de sodium comme agent réducteur[24].

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

Plasmon[modifier | modifier le code]

SERS[modifier | modifier le code]

Exaltation de fluorescence[modifier | modifier le code]

Effet photothermal[modifier | modifier le code]

Luminescence[modifier | modifier le code]

Propriétés chimiques[modifier | modifier le code]

Applications[modifier | modifier le code]

Détection[modifier | modifier le code]

Imagerie[modifier | modifier le code]

Effet photothermal[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Marie-Christine Daniel and Didier Astruc, « Gold Nanoparticles: Assembly, Supramolecular Chemistry, Quantum-Size-Related Properties, and Applications toward Biology, Catalysis, and Nanotechnology. », Chem. Rev., vol. 104,‎ 2004, p. 293–346 (lien DOI?)
  2. (en) Bernhard Wessling, « Conductive Polymer / Solvent Systems: Solutions or Dispersions? »,‎ 1996 (consulté le 29 mai 2010)
  3. (en) University of Edinburgh School of Physics: Colloids (mentions Elixir of Life)
  4. (en) Vanga R. Reddy, « Gold Nanoparticles: Synthesis and Applications », Synlett, no 11,‎ 2006, p. 1791-1792 (ISSN 0936-5214, lien DOI?, lire en ligne)
  5. (en) Michael Faraday, « Experimental Relations of Gold (and Other Metals) to Light », Phil. Trans. R. Soc. Lond., vol. 147,‎ janvier 1857, p. 145-181 (ISSN 0261-0523, lien DOI?)
  6. (en) Paul Mulvaney, « The beauty and elegance of Nanocrystals: How invisibly small particles will colour and shape our future » (ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?), Université de Melbourne, 2003, sur uninews.unimelb.edu.au. Consulté le 29 mai 2010
  7. (en) C. N. Ramachandra Rao, Giridhar U. Kulkarni, P. John Thomas et Peter P. Edwards, « Metal nanoparticles and their assemblies », Chem. Soc. Rev., vol. 29,‎ 2000, p. 27-35 (ISSN 0306-0012, lien DOI?)
  8. (en) Elodie Boisselier and Didier Astruc., « Gold nanoparticles in nanomedicine: preparations, imaging, diagnostics, therapies and toxicity. », Chem. Soc. Rev., vol. 38,‎ 2009, p. 1759-1782 (lien DOI?)
  9. (en) Vivek Sharma, Kyoungweon Park et Mohan Srinivasarao, « Colloidal dispersion of gold nanorods: Historical background, optical properties, seed-mediated synthesis, shape separation and self-assembly », Mater. Sci. Eng., R, vol. 65, no 1-3,‎ 15 mai 2009, p. 1-38 (ISSN 0927-796X, lien DOI?)
  10. (la) Andreae Cassii D., Hamburgensis De Extremo Illo Et Perfectissimo Naturae Opificio Ac Principe Terraenorum Sidere Auro, Wolffus,‎ 1685, 152 p. (lire en ligne)
  11. (de) Johann Rudolf Glauber, Des Teutschlandts Wohlfart, vol. 4, Amsterdam, Jansson,‎ 1659, 148 p., p. 35-36
  12. Antonio Neri et al., Art de la verrerie, Durand,‎ 1679, 629 p. (lire en ligne), p. 192
  13. (en) L. B. Hunt, « The true story of purple of Cassius », Gold Bull., vol. 9, no 4,‎ 1976, p. 134-139 (ISSN 0017-1557, lien DOI?, lire en ligne)
  14. Philippe Colomban, Thomas Calligaro, Claude Vibert-Guigue, Quang Liem Nguyen et Howell G. M. Edwards, « Dorures des céramiques et tesselles anciennes : technologies et accrochage », Archéosciences, vol. 29,‎ 2005, p. 7-20 (ISSN 2104-3728, lire en ligne)
  15. (en) J. Turkevich, P. C. Stevenson et al., « A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold », Discuss. Faraday Soc., vol. 11,‎ 1951, p. 55-75 (ISSN 0366-9033, lien DOI?).
  16. (en) G. Frens, « Particle size and sol stability in metal colloids », Kolloid Z. Z. Polym., vol. 250, no 7,‎ 1972, p. 736-741 (ISSN 0023-2904, lien DOI?, lire en ligne).
  17. (en) G. Frens, « Controlled nucleation for the regulation of the particle size in monodisperse gold suspensions », Nature, no 241,‎ 1973, p. 20-22 (ISSN 0028-0836, lien DOI?).
  18. (en) B.-K. Pong, H. I. Elim et al., « New insights on the nanoparticle growth mechanism in the citrate reduction of gold(III) salt:  formation of the Au nanowire intermediate and its nonlinear optical properties », J. Phys. Chem. C, vol. 111, no 17,‎ 2007, p. 6281–6287 (ISSN 1932-7447, lien DOI?).
  19. a et b (en) M. Brust, M. Walker et al., « Synthesis of thiol-derivatised gold nanoparticles in a two-phase liquid–liquid system », J. Chem. Soc., Chem. Commun., no 7,‎ 1994, p. 801-802 (ISSN 0022-4936, lien DOI?).
  20. (en) A. Manna, P.-L. Chen et al., « Optimized photoisomerization on gold nanoparticles capped by unsymmetrical azobenzene disulfides », Chem. Mater., vol. 15, no 1,‎ 2003, p. 20–28 (ISSN 0897-4756, lien DOI?).
  21. (en) S. D. Perrault et W. C. W. Chan, « Synthesis and surface modification of highly monodispersed, spherical gold nanoparticles of 50−200 nm », J. Am. Chem. Soc., vol. 131, no 47,‎ 2009, p. 17042–17043 (ISSN 0002-7863, lien DOI?).
  22. (en) J. Zhang, J. Du et al., « Sonochemical formation of single-crystalline gold nanobelts », Angew. Chem. Int. Ed., vol. 45, no 7,‎ 2006, p. 1116–1119 (ISSN 1433-7851, lien DOI?).
  23. (en) T. Sakai et P. Alexandridis, « Mechanism of gold metal ion reduction, nanoparticle growth and size control in aqueous amphiphilic block copolymer solutions at ambient conditions », J. Phys. Chem. B, vol. 109, no 16,‎ 2005, p. 7766–7777 (ISSN 1520-6106, lien DOI?).
  24. (en) D. Ray, V. K. Aswal et al., « Synthesis and characterization of high Concentration block copolymer-mediated gold nanoparticles », Langmuir, vol. 27, no 7,‎ 2011, p. 4048–4056 (ISSN 0743-7463, lien DOI?).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) L. B. Hunt, « The true story of purple of Cassius », Gold Bull., vol. 9, no 4,‎ 1976, p. 134-139 (ISSN 0017-1557, lien DOI?, lire en ligne).
  • Préparation de la « pourpre de Cassius » : Théophile Jules Pelouze et Edmond Fremy, Traité de chimie, générale, analytique, industrielle et agricole : Chimie inorganique, vol. 3, t. 2, Masson,‎ 1865, 3e éd., 1379 p. (lire en ligne), p. 1213-1214.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]