Stage M2 - Rue, France - SUBATECH

Description

Proposition de stage M2

A partir de février-mars 2023, et ce pour 4 à 6 mois

**Caractérisation de nano-colloïdes par L.I.B.D. (Laser Induced Breakdown Detection)**

**Application à deux sites de la Zone Atelier Territoire Uranifère et aux eaux de ruissellement du Pont de Cheviré.**
Contexte général
On trouve des colloïdes dans tous les systèmes aquatiques naturels : ils peuvent être inorganiques, organiques et comprendre également des micro-organismes. La quantification de ces colloïdes aquatiques présente des difficultés considérables car ils sont souvent présents à de très faibles concentrations et avec une prédominance de la distribution en taille sur de faibles diamètres ( < 1 μm). Les méthodes, traditionnellement utilisées pour leurs caractérisations, sont fondées sur la séparation et/ou le fractionnement (ultrafiltration, ultracentrifugation, chromatographie d'exclusion de taille, F.F.F., ) mais aussi sur les méthodes de diffusion statique et dynamique de la lumière. Cependant, ces techniques susnommées présentent des limitations importantes : la séparation et le fractionnement interfèrent avec le système colloïdal et entraînent facilement des changements dans la population colloïdale (coagulation, sorption et précipitation) alors que la diffusion de lumière, elle, présente des limites de détection relativement élevées pour les particules dont le diamètre moyen est inférieur à environ 100 nm.

La méthode L.I.B.D. (Laser Induced Breakdown Detection) a été développée en parallèle. Cette technique, originellement inventée à la fin des années 1980 pour la surveillance de l'eau ultrapure dans l'industrie des semi-conducteurs, a rapidement servi et été perfectionnée pour la caractérisation de nano-colloïdes aquatiques synthétiques ou naturels [1]. Une étude a aussi été réalisée sur des bio-colloïdes (spores et bactéries) [2].

Cette méthode de détection utilise un faisceau laser pulsé à haute énergie qui est focalisé dans la cellule de mesure afin de générer sélectivement un plasma lors de l'interaction entre la matière solide (le colloïde) et la lumière de haute intensité (le faisceau laser). L'absorption de photons par les colloïdes au cours de l'impulsion laser entraîne le chauffage et l'expansion du plasma qui peut alors être détecté acoustiquement ou optiquement via, respectivement, la propagation de l'onde de choc dans le milieu ou la lumière émise [3].

Le L.I.B.D. permet une détection très sensible pour les colloïdes de petits diamètres (# nm) et à des concentrations très faibles (# 1 ng/L (ppt) - mg/L (ppm)) ce qui en fait une méthode analytique particulièrement puissante et intéressante pour la caractérisation de nano-colloïdes en conditions « extrêmes », c'est à dire pour de très faible tailles et concentrations. De plus, il n'est pas invasif, la préparation de l'échantillon est mínimale et la mesure peut se faire en ligne.
Descriptif du sujet
Dans le cadre du démarrage d'un projet nommé LINAEC (Laser Induced an Analysis of Nano Environmental Colloids), divers travaux vont s'inscrire et s'articuler autour d'un large spectre d'études de caractérisation de colloïdes. Ce projet est un partenariat entre le Laboratoire Eau et Environnement (LEE) et le Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées (SUBATECH) qui, du fait de leurs thématiques de recherche respectives et de l'originalité ainsi que des avantages de cette technique de caractérisation colloïdale si « particulière » qu'est le L.I.B.D ont des centres d'intérêt scientifiques communs.

Ce projet est porté par les travaux de doctorant.e.s respectivement présent.e.s dans les deux laboratoires et par les nanoparticules d'intérêt respectivement étudiées:

- Nano-particules d'oxy-hydroxyde de fer dans les milieux miniers:
S. Mafaldi : « Etude du rôle des colloïdes sur le transport et le transfert de U et Ra dans l'environnement : cas des sites de la Zone Atelier Territoire Uranifère (ZATU) » (Subatech), dont les travaux de doctorat comprennent la caractérisation de colloïdes de diverses natures (substances humiques, colloïdes d'argile et d'oxy-hydroxyde de fer en particulier) par chromatographie et détection par UV-VIS, MALLS, RI et ICP-MS. Ces échantillons proviennent soit d'une zone humide contaminée localisée près d'une ancienne mine d'uranium, soit de sources minérales.
- Nanoparticules présentes dans les eaux de ruissellement pluviales:
M. Dia : « Polluants émergents et infiltration des eaux urbaines : transfert de nanoparticules et matière organique dans les sols urbains » (LEE). Son travail de doctorat consiste à la caractérisation des interactions « nanoparticules - matière organique » dans les eaux de ruissellement pluviales pour évaluer le potentiel de transfert facilité des nanoparticules en utilisant le m