Thèse Stabilisation Dynamique dans des Assemblages Colloïdaux Photo-Réactifs H/F

Université Paris-Saclay GS Chimie

Établissement : Université Paris-Saclay GS Chimie
École doctorale : Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Solides
Direction de la thèse : Cyrille HAMON ORCID 0000000195299102
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-31T23:59:59

Ce projet vise à transposer à l'échelle colloïdale et nanométrique le principe de stabilisation dynamique mis en évidence par Kapitza en 1951, selon lequel un système mécaniquement instable peut être stabilisé par des excitations rapides. L'objectif est de concevoir des superstructures colloïdales de nanobâtonnets (NR) dont l'état d'assemblage est contrôlé de manière dynamique et réversible par la lumière. Ce contrôle repose sur l'utilisation de micelles de photosurfactants à base d'azobenzène, capables de changer de conformation sous irradiation lumineuse et de moduler ainsi les forces de déplétion agissant entre les nanobâtonnets. Contrairement aux méthodes classiques de déplétion, généralement statiques, cette approche permet un pilotage rapide, fin et non invasif des transitions entre états dispersés et assemblés. Des résultats préliminaires montrent que les micelles d'AzoTAB constituent un levier particulièrement efficace pour induire et inverser l'assemblage des NR, avec des signatures structurales clairement identifiables et des réponses optiques corrélées. Au-delà de l'auto-assemblage colloïdal, ce projet ambitionne d'établir un nouveau paradigme pour la conception de métamatériaux reconfigurables et stabilisés hors équilibre. Le travail de thèse combinera la synthèse et la caractérisation de photosurfactants, l'étude des mécanismes d'auto-assemblage sous excitation lumineuse, ainsi que l'analyse des relations entre structure dynamique et propriétés optiques collectives.

Context. In 1951, Pyotr Kapitza investigated the unusual equilibrium behavior of a rigid pendulum subjected to high-frequency vertical vibrations, showing that under sufficiently rapid oscillations the inverted (top) position becomes stable. The stabilization of metastable states is a general problem with broad relevance, having found applications in granular media, atomic physics, optical systems, biophysics, and cybergenetics. In this work, we aim to develop a colloidal Kapitza pendulum.
Active metamaterials are stimuli-responsive systems with optical or electronic properties not found in nature. However, most top-down fabrication approaches yield static, non-reconfigurable nanostructures. We recently reported a method for preparing colloidal, tunable nanorod (NR) superstructures via depletion-induced self-assembly (DISA), using CTAC surfactant micelles as depletants.1-3 While DISA is a promising strategy, switching between the assembled and disassembled states currently requires centrifugation and dilution, which makes it impractical for applications. To overcome this limitation, we propose using azobenzene-based photosurfactant micelles as light-sensitive depletants (photo-DISA) to achieve active plasmonic NR superstructures. This colloidal Kapitza pendulum will deepen our understanding of self-assembly while paving the way toward reconfigurable optical materials.

Objective 1: dynamic stabilization of defects rich/amorphous structures. By balancing rapidly between the assembled and disassembled state, we expect stabilizing defect rich or even amorphous structures. A high-end application would be to find the parameters to control the degree of crystallization of the assemblies.
Objective 2: dynamic stabilization of lattice parameters. At sufficiently high depletant concentration, the assemblies will be formed. In this case, balancing between the two states would vary the lattice parameters (by about 10 nm, data not shown). We will aim at dynamically stabilize intermediate lattice parameters, that is relevant to tune the coupling strength between the plasmonic NPs.
Objective 3: Correlate structure with properties. The PhD student will correlate structure determined by scattering methods with optical properties determined with UV/Vis and Raman spectroscopy. Our goal is to prove that we can obtain new structural and optical properties by stabilizing metastable assemblies.