Description du sujet de thèse

Les processus physico-chimiques se produisant dans les nanoparticules métalliques et semi-conductrices sont à l'origine d’une nouvelle classe de sondes optiques pour des applications en catalyse et reconnaissance moléculaire. Le confinement quantique et l’amplification plasmonique de ces objets luminescents permet de tirer profit simultanément de leurs propriétés optiques d’absorption et d’émission dans la gamme spectrale visible pour amplifier la réponse optique nonlinéaire (vibrationnelle et électronique) des molécules qui les entourent.

Ce projet de thèse a pour objectif de comprendre et modéliser à plusieurs échelles les interactions optiques quantiques des nanocapteurs semi-conducteurs avec leur milieu biomoléculaire environnant sous l'action de champs électromagnétiques intenses (lasers) pour des applications de reconnaissance moléculaire à visée médicale (Projet IRP INANOMEP du CNRS, France-Belgique). La synergie entre l’optique non-linéaire, la chimie théorique et l’apprentissage machine donne un caractère interdisciplinaire prononcé au projet pour étudier ces objets nanostructurés dans leur environnement chimique et biologique.

A ce jour, les outils de chimie théoriques existant ne sont pas adaptés à traiter à la fois la complexité des systèmes envisagés, leur taille nanométrique et leurs propriétés optiques. A la faveur de travaux récents du groupe ThéoSim de l’ICP, nous proposons de développer des modèles dérivés de la chimie quantique et basés sur l’apprentissage machine qui seront dédiés à ces quantum dots fonctionnalisés et environnés. Les outils développés seront tout d’abord utilisés dans des simulations de dynamique moléculaire pour déterminer des descripteurs moléculaires permettant de comprendre la structuration chimique à la surface des capteurs.

Expérimentalement, il s’agira de s’appuyer, d’une part à l’ICP, sur l’expertise du groupe TEMiC en spectroscopie optique basée sur la génération de la fréquence somme à deux couleurs (2C-SFG) provenant de deux sources laser accordables IR et visible pour caractériser les interactions chimiques spécifiques à l’interface avec les quantum dots, d’autre part sur l’expertise à CESAM (Liège) pour la spectroscopie d’émission de fluorescence des puits quantiques exploités comme biosenseurs optiques. Une nouvelle méthodologie couplant les modèles théoriques développés ci-dessus et le calcul par chimie quantique des spectres SFG et d’émission de fluorescence sera implémentée entre ICP et CESAM (Liège) pour une comparaison directe avec les expériences optiques réalisées dans les deux laboratoires français et belge.

Références
- J. Hottechamps, T. Noblet, A. Brans, C. Humbert, L. Dreesen, ChemPhysChem 2020, 21, 853.
- T. Noblet, L. Dreesen, S. Boujday, C. Méthivier, B. Busson, A. Tadjeddine, C. Humbert, Communications Chemistry 2018, 1, 76
- T. Noblet, L. Dreesen, J. Hottechamps, C. Humbert, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017,19, 26559-26565.
- J. Bowles, S. Jähnigen, F. Agostini, R. Vuilleumier, A. Zehnacker, F. Calvo, C. Clavaguéra, ChemPhysChem 2024, e202300982.
- R. Tandiana, PhD thesis, Université Paris-Saclay, 2022, 2022UPASF059.
- R. Tandiana, C. Sicard-Roselli, N.T. Van-Oanh, S. Steinmann, C. Clavaguéra, Phys. Chem. Chem. Phys., 2022,24, 25327-25336.

Contexte de travail

La thèse se déroulera au sein de l'Institut de Chimie Physique, UMR CNRS, situé à l'Université Paris-Saclay.
Le projet s’inscrit dans le cadre de la collaboration internationale franco-belge de l’IRP INANOMEP (Innovative NANOstructured Interfaces for MEdical and Photocatalytic applications) financée par le CNRS.
Le/la doctorant(e) développera les modèles théoriques et participera aux expériences de spectroscopie en France et en Belgique sous la responsabilité de deux encadrants de thèse.