Sujet de thèse : Synthèse et caractérisation de films minces antibactériens, CNRS Nantes (44)

Description du sujet de thèse

Certains matériaux -classiquement des oxydes ou sulfures- présentent la propriété de dégrader certaines bactéries ou espèces chimiques à leur surface, par un effet dit catalytique qui est déjà exploité pour assainir des eaux sales ou des atmosphères polluées… Très récemment des nitrures (TaN, TiN, AlN …) incorporant des métaux ont été testés pour des activités anti-bactériennes et semblent présenter des résultats extrêmement prometteurs [1], la combinaison avec le nitrure permettant d’obtenir des résultats supérieurs aux métaux seuls (ex TaN:Ag).
Dans cette thèse, nous proposons de travailler sur le quaternaire Al-N-O-M (M=Métal), en démarrant avec M=Cu, dont l’activité antibactérienne a fait ses preuves lors de tests grandeur nature dans les hôpitaux [2]. Des mesures antibactériennes préliminaires et encourageantes présentent des performances ; dont l’origine n’est pas complètement identifiée et nécessitera un travail rigoureux en vue d’améliorer l’efficacité des propriétés. L’objectif de la thèse sera de synthétiser par pulvérisation cathodique et de caractériser finement des couches minces Al-N-O-M (M=Métal) pour que leurs propriétés antibactériennes soient testées et étudiées par le laboratoire LCPME (Nancy) et pour que le potentiel photo-catalytique proprement-dit soit évalué grâce à une collaboration avec l’IJL (Nancy). Les optimisations des films seront guidés par l’optimisation des propriétés anti-bactériennes ou photo-catalytiques dans le but d’aider à lutter contre les maladies dites nosocomiales (i.e. contractées dans les hôpitaux), sujet de forte actualité du fait de la recrudescence des résistances bactériennes développées par les souches actuelles ces dernières années [3]… ou d’accroître le nombre d’agents inorganiques dépolluants …

1/ Elaboration – Caractérisation des films minces à l’IMN :
La maîtrise de la synthèse se fera grâce à des allers retours entre élaborations, caractérisations et s’appuiera sur les compétences des encadrants et de l’équipe de recherche Plasmas et Couches Minces, PCM, de l’IMN. La technique de dépôt : pulvérisation cathodique magnétron, familière dans l’industrie est communément utilisée au laboratoire. Le mode pulsé (HiPIMS High Power Impulse Magnetron Sputtering) permettra d’accéder à des structurations originales.
Les films minces (épaisseur 10-200 nm) seront analysés et optimisés avant étude de leurs propriétés macroscopiques suivant des boucles élaboration/caractérisation. Leur nature et morphologie cristalline sera étudiée dans l’équipe PCM à l’aide des outils de caractérisation classiques et avancés : DRX (Diffraction des rayons X), MEB (Microscopie électronique à Balayage), HAADF-STEM (High Angle Annular Dark Field-Scanning transmission Electron Microscopy) sur le microscope électronique NANT’THEMIS récemment acquis par le laboratoire.

La quantification chimique sera mesurée par spectroscopie des électrons (EDX : Spectroscopie dispersive des rayons X sur NANT’THEMIS, MEB), et complétée par profils de spectrométrie Rutherford (RBS) en collaboration au Portugal. L’AFM (Microscopie à force atomique) et l’XPS (Spectroscopie photoélectronique X) de l’IMN permettront de qualifier la rugosité, morphologie et chimie de surface. Plus exceptionnellement, on pourra faire appel à de la spectroscopie d’absorption des rayons X sur synchrotron (SOLEIL) si cela s’avère nécessaire et complémentaire pour renseigner sur les degrés d’oxydation en présence pour l’analyse des surfaces.

2/ Caractérisation des propriétés antibactériennes et photocatalytiques (collaborations) :
Ces caractérisations seront réalisées via des collaborations nationales des encadrants. La partie biologique sera réalisée au LCPME Nancy (F. Quilès). L’évaluation du potentiel photocatalytique sera réalisée à l’IJL (T. Gries, Nancy) par des mesures électrochimiques permettant de mesure la dégradation de colorants par électrochimie ou d’obtenir la position des bandes d’énergie à partir de diagrammes de Mott-Schottky.
[1] O. Baghriche, S. Rtimi, A. Zertal, C. Pulgarin, R. Sanjinés, J. Kiwi, Accelerated bacterial reduction on Ag–TaN compared with Ag–ZrN and Ag–TiN surfaces, Appl. Catal. B Environ. 174–175 (2015) 376–382, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.03.032.
[2] J.P. Butler, Effect of copper-impregnated composite bed linens and patient gowns on healthcare-associated infection rates in six hospitals, J. Hosp. Infect. 100 (2018) e130–e134, https://doi.org/10.1016/j.jhin.2018.05.013.
[3] INSERM Infections nosocomiales, (n.d.). http://www.inserm.fr/thematiques/immunologie-inflammation-infectiologie-et-microbiologie/dossiers-d-information/infections-nosocomiales (accessed February 28, 2021).

Le-a- candidat-e- devra être titulaire d’un master II (ou équivalent) en sciences des matériaux/physique. Il (elle) devra disposer de très bonnes connaissances en physique du solide ou physique/chimie des matériaux et en leur caractérisation (structurale, morphologique, chimique, optique…). Il (elle) devra présenter un goût pour l’expérimentation.

Un esprit d’initiative et de rigueur est nécessaire, tout comme un goût certain pour le travail en équipe. Des facilités pour l’expression orale et écrite ainsi qu’un bon relationnel seront un atout supplémentaire. Pratique de l’anglais obligatoire. Une expérience en élaboration des couches minces par PVD assistée plasma sera particulièrement appréciée.

Contexte de travail

L’institut des Matériaux Jean Rouxel (ou Institut des Matériaux de Nantes, IMN) est une Unité Mixte de Recherche (UMR) associant le CNRS et l’Université de Nantes. Mobilisant plus de 200 personnels, il est l’un des principaux centres de recherche sur les matériaux en France, reconnu au niveau international : https://www.cnrs-imn.fr/.

La/le doctorant(e) sera inscrit à l’Université de Nantes dans l’Ecole Doctorale 3M.
L’équipe Plasmas et Couches Minces du laboratoire IMN mène des recherches sur le développement de procédés plasmas froids. La stratégie de recherche fait appel à d’autres procédés physico-chimiques que les plasmas seuls : sol-gel, désalliage chimique. Les activités sont structurées selon trois thèmes de recherche : la gravure, le dépôt de couches minces et de nano-objets et nano-matériaux qui s’appuient sur un thème transversal de modélisation.

Pour en savoir plus :
https://www.cnrs-imn.fr/index.php/recherche-equipes-et-travaux/plasmas-et-couches-minces-equipe-pcm.
Le laboratoire se situe sur le campus de la fac des Sciences de Nantes assez proche du centre ville. L’equipe PCM compte 14 permanent dont 35 % sont des chercheurs ou directeurs de recherche du CNRS, les autres étant enseignants -chercheurs.

Contraintes et risques

La synthèse et la majeure partie des caractérisations morphologiques, structurales et chimiques seront réalisées à l’IMN, le reste sera fait en collaboration avec des collaborateurs extérieurs (sans déplacement), la partie biologique sera réalisée au LCPME Nancy (participation aux campagnes expérimentales).

Si le sujet l’exige, on pourra réaliser une( ou plusieurs)campagne expérimentale sur synchrotron à Saclay (Paris). D’autres déplacements sont à prévoir pour la diffusion des résultats par des conférences nationales ou internationales. Le laboratoire est régi par un règlement intérieur.

Pour postuler

Candidater sur le site emploi du CNRS.