Cristallisation colloïdale bidimensionnelle aux interfaces fluides : une plateforme polyvalente pour étudier la dynamique et contrôler la morphologie cristalline

L'auto-assemblage est un principe fondamental observé dans les systèmes physiques, chimiques et biologiques. Il désigne l'organisation autonome de composants en structures ordonnées. À petite échelle, il gouverne la formation des cristaux atomiques, de l'ADN et des membranes lipidiques. De simples règles microscopiques se traduisent ainsi en architectures macroscopiques ordonnées, offrant une approche ascendante pour créer des matériaux fonctionnels. Les particules colloïdales occupent une place particulière. Décrites comme des « atomes modèles », elles imitent le comportement atomique tout en étant observables au microscope optique. Contrairement aux atomes, leurs interactions sont modulables, ce qui en fait à la fois des systèmes modèles pour l'étude fondamentale et des briques pour des matériaux aux propriétés ajustées. L'auto-assemblage colloïdal peut avoir lieu en 3D ou en 2D. Les interfaces fluides constituent un terrain privilégié pour l'assemblage bidimensionnel, car elles offrent un milieu souple, modulable et reconfigurable qui confine les particules tout en permettant un contrôle précis de leurs interactions. Les effets capillaires et le confinement interfacial ajoutent une richesse supplémentaire. Bien que largement explorées, produisant des cristaux aux propriétés structurales ajustables, il reste nécessaire de disposer d'un environnement simple et contrôlable pour étudier et maîtriser la cristallisation. Cette thèse propose une plateforme expérimentale polyvalente répondant à ce besoin. Les objectifs étaient les suivants : 1. Développer une plateforme pour un auto-assemblage stable et contrôlable, utilisant de très petits volumes, observation en temps réel, expériences parallèles et quantification. 2. Étudier les principes de cristallisation en variant la taille des particules, les mélanges binaires et la courbure de l'interface pour comprendre comment ces conditions mènent à diverses structures. 3. Analyser l'influence de la composition de la goutte à l'aide de tensioactifs cationiques modulant les répulsions des particules de silice anioniques, et quantifier les structures finales ainsi que les trajectoires dynamiques. 4. Explorer comment la forme de l'interface oriente la cristallisation via des contraintes géométriques dirigeant l'écoulement et le confinement. 5. Exploiter l'ADN pour étudier l'effet des répulsions électrostatiques et stériques sur la cristallisation. En variant la longueur de l'ADN et la concentration en sel, nous avons examiné comment ces interactions contrôlent l'ordre cristallin, tout en explorant l'ADN pour des interactions programmables. Une plateforme microfabriquée a été réalisée. Avec des particules de silice, la cristallisation a été décrite comme une sédimentation gravitationnelle sous confinement latéral. Nous avons montré comment la géométrie de la goutte, la taille des particules et les mélanges binaires déterminent les caractéristiques finales des cristaux. Le rôle de la composition a été étudié grâce aux tensioactifs, permettant de moduler les répulsions interparticulaires, de contrôler la polycristallinité et de relier structure et dynamique. En façonnant l'interface, nous avons obtenu des cristaux aux formes programmables (carrés, losanges, pentagones, etc.). Enfin, la fonctionnalisation par ADN a permis de contrôler l'espacement interparticulaire et l'ordre cristallin via des interactions moléculaires modulables. À l'avenir, cette plateforme pourra être améliorée en permettant l'insertion dynamique de particules pendant la cristallisation, ouvrant la voie à un contrôle actif en temps réel. Elle pourra aussi approfondir la compréhension de la dynamique des joints de grains. Enfin, elle pourra être étendue à des interactions programmables avec des biomolécules comme l'ADN ou les protéines, ouvrant de nouvelles perspectives pour des matériaux colloïdaux réactifs et fonctionnels.