Du fait même de leur taille, les nanoparticules métalliques isolées présentent des propriétés spécifiques, comparées à celles du matériau massif, et, en particulier, elles sont le siège d'oscillations électroniques dans les fréquences optiques, dénommées plasmons.

Constituées d'or, d'argent ou de cuivre, elles peuvent être « fonctionnalisées » par ajout d'une molécule (H₂O, anticorps, etc.), d'un semi-conducteur (TiO₂, etc.), d'un émetteur quantique (CdSe, etc.) ou encore d'un catalyseur (Pd, Pt, etc.), via une liaison chimique, covalente ou non. Elles deviennent alors des nanoparticules hybrides (ou nanohybrides).

Au sein de nanohybrides, des mécanismes complexes peuvent conduire à des phénomènes variés tels que :

• la génération localisée de lumière ou de paires électron-trou ;
• un dégagement de chaleur à partir du rayonnement absorbé ;
• la formation d'une espèce réactive de l'oxygène (singulet) ou d'hydrogène.

Ces propriétés ouvrent la voie à des applications en photonique et en micro-électronique (capteurs), ainsi qu'en nanomédecine. En particulier, la libération de chaleur ou d'espèces réactives de l'oxygène par des nano-bâtonnets d'or éclairés avec un laser infrarouge pourrait permettre de soigner des tumeurs cancéreuses.

Dans cette perspective, il faut élaborer des nanoparticules et la méthode retenue par l'équipe de l'Iramis est la chimie colloïdale, basée sur des méthodes d'ensemencement et de croissance dirigée, couplée à la chimie sol-gel, permettant :

• des formes et des tailles homogènes (nanoparticules « monodisperses ») ;
• des morphologies variées (différents rapports longueur/épaisseur) ;
• des bords et des pointes acérées exaltant le champ électromagnétique ;
• des enrobages en silice parfaitement contrôlés limitant la coalescence des nanoparticules et facilitant leur fonctionnalisation.

L'Iramis-Nimbe (UMR CEA-CNRS) est expert dans la croissance de nanoparticules dont un paramètre clé est la qualité de l'interface entre la nanoparticule et son environnement proche. La fonctionnalisation des nanoparticules s'opère ensuite par photopolymérisation en champ proche, selon un savoir-faire développé conjointement à l'Institut de science des matériaux de Mulhouse et à l'Université technologique de Troyes.

D'un point de vue fondamental, les partenaires ont étudié les phénomènes de relaxation ultra-rapides, impliqués dans la désactivation du plasmon par émission lumineuse, et ont ainsi mis en évidence l'importance des interfaces (effet surfactant, enrobage de silice, etc…) dans la fonctionnalisation par diverses espèces réactives.

Ensemble, ils sont également parvenus à réaliser des dépôts fins (~ 1 nm) et successifs de nanohybrides aux propriétés spécifiques et à piéger des émetteurs quantiques de lumière sur des sites bien précis, avec une précision nanométrique, ouvrant la voie à la réalisation de capteurs et à des applications en optronique.

Pour le traitement localisé des cancers, des études in vivo sur des xénogreffes de souris sont en cours.

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du consortium HEPPROS mené par l'Inserm (Plan cancer) avec un soutien de l'ANR. Ils se poursuivent avec 3 projets également soutenus par l'ANR :

• ULTRASINGLE coordonné par l'Institut lumière matière (Lyon) ;
• POPCORN coordonné par l'Iramis-SPEC ;
• CARICATURES coordonné par l'ESPCI (École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris).