WO2011144748A1 - Procede de production d'un materiau nanometrique et reacteur pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Procede de production d'un materiau nanometrique et reacteur pour sa mise en oeuvre Download PDF

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WO2011144748A1
WO2011144748A1 PCT/EP2011/058289 EP2011058289W WO2011144748A1 WO 2011144748 A1 WO2011144748 A1 WO 2011144748A1 EP 2011058289 W EP2011058289 W EP 2011058289W WO 2011144748 A1 WO2011144748 A1 WO 2011144748A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid
reaction zone
spray
present
nanometric
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/058289
Other languages
English (en)
Inventor
Gero Decher
Olivier Felix
Emek Seyrek
Rafael Szamocki
Gabriela Popa
Rita El-Khouri
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite De Strasbourg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US13/699,017 priority patent/US20130196084A1/en
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/02—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D9/00—Crystallisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas

Definitions

  • the present invention relates to a new method for synthesizing nanometric objects by mixing liquids in a quasi-2D microfluidic reactor.
  • the transformation of the material can go through many chemical processes - chemical reactions, formation of complexes, nucleation of crystals, formation of emulsions ..., which can be carried out by mixing two solutions containing one or more reagents.
  • liquid mixing is undoubtedly one of the fundamental techniques in chemistry.
  • this technique is more complicated than it seems. Indeed, the very way of mixing solutions can influence the reactions that take place within them. For example, when the reaction rates are slow compared to the mixing rate, the manner of mixing has a negligible influence on the reaction. However, in the so-called fast reactions, the way of mixing becomes critical in order to control the chemical processes.
  • Typical examples include the formation of complexes between polyelectrolytes of different fillers (e.g., DNA / polycation complexes, which are important in gene transfection) or the synthesis of certain nanoparticles (e.g., nano-hydroxyapatite, which appears interesting in stimulation of bone or cartilaginous growth).
  • This also relates to more complex materials such as nanoparticles known as “nano-bags” consisting for example of polycations / citrates which have recently been described ("From" nano-bags “to” micro-pouches ".) Understanding and tweaking Flocculation -based Processes for the Preparation of New Nanoparticle Composites, "Gregory F. Schneider and Gero Decher, Nano Lett., 2008, 8 (11), pages 3598-3604).
  • the mixing process is crucial for controlling the properties of the produced materials in all cases where an initial phase of precipitation, a phase separation phase or a nucleation / nucleation takes place faster than the time required to obtain a homogeneous solution thanks to the mixing.
  • the order of adding solutions may have an impact on the course of the reaction. Indeed, injecting a solution A to a solution B (Case I) can lead to a different result than injecting a solution B to a solution A (Case II).
  • This is the well-known example of adding water to a solution of concentrated acid (sulfuric acid, hydrochloric acid, for example) whose reaction can be violent. Indeed, it is well known that it is better to add the acid to the water solution.
  • microfluidic technology An interesting recent alternative for controlling difficult reactions is so-called microfluidic technology.
  • This technology or even discipline, deals with the behavior, precise control and manipulation of fluids that are geometrically confined, typically at the submillimetric scale.
  • This technology has created a real revolution in chemistry, allowing many improvements in the way of implementing chemical reactions by allowing for example the production of emulsions with almost completely monodisperse emulsion droplets, or nucleation phenomena, encapsulation of living cells or the integration of whole chains of miniaturized reactions on "Lab-on-a-Chip" chips. Journals showing the enormous potential of microfluidic technology are now abundant in the literature. For this reason this technology will not be unduly detailed in the present application.
  • the reactor described in the present application is a quasi-2D microfluidic reactor.
  • Two solutions are pulverized synchronously on a solid surface, thus forming a thin liquid film (see Figure 1). It is in the very formation of this film by this technique that lies the key element of the invention. Indeed, the jets arrive at the same time on the solid surface allowing controlled mixing: the droplets arriving at the surface of the liquid and / or the support merge to form the film and thus produce an extremely homogeneous mixing zone.
  • the advantage of the present invention lies in the use of small droplets and a thin liquid film to allow rapid mixing of the reaction partners in the liquid film by rapid diffusion (the diffusion and mixing rate are a function inverse of the size of the droplets and the thickness of the liquid film).
  • the present invention dramatically reduces gradients of macroscopic concentrations during continuous mixing of at least two liquids.
  • the reactor of the present invention has the advantage of producing at high flow liquid films in which reactions take place, and this continuously.
  • the thickness of the film obtained on the surface of the solid support is controlled by virtue of the characteristics of the spray (for example the air flows / solutions applied, or for example the solution / frequency flow rate and / or the amplitude of use of the ultrasound in the case of a spray with an ultrasonic nozzle) and the nature of the solid surface (roughness, contact angle, ). It is also possible to recover the liquid which is evacuated by drainage of the solid surface, said liquid may be a suspension of polyelectrolyte complexes, inorganic precipitates, etc., and the nanomaterials that said liquid contains.
  • a reactor with a single liquid diameter of 10 cm makes it possible to use reaction volumes routinely between 50 ⁇ L and about 100 mL per minute.
  • reaction volumes routinely between 50 ⁇ L and about 100 mL per minute.
  • even simple reactor design according to the present invention allow rates of 10 3 to 10 6 times superior to conventional microfluidic reactor channel in accordance with the dimensions of the spray jets, the size of the 2D support, and the density of the spray droplets.
  • Another advantage of the reactor of the present invention is the ability to accurately and extensively adjust the stoichiometry of the two (or more) reactants by simply controlling the flow rate of each nozzle. Indeed the drainage of the liquid is not limited by any constraint whatsoever because the reactor can be completely open. This opening is a technical criterion making it possible to clearly demarcate the reactor of the present invention with respect to closed channel microfluidic technology, in which the maximum flow rate is limited by the diameter of the channels. In addition and in view of the simplicity of implementation of the process of the present invention, it is possible in particular cases of reactions to easily work in a controlled atmosphere (see Example 6).
  • the reactor of the present invention is extremely simple to manufacture and implement. Such a reactor allows a high degree of optimization of synthesis for a wide variety of nanomaterials, aggregates and small composite materials.
  • the fact that the liquid arrives on the 2D surface by the third dimension makes it possible to easily modulate the reactor according to the different applications. Summary of the invention
  • the object of the invention consists in a process for producing a material of nanometric to micrometric size from at least two reaction partners.
  • the object of the invention involves the simultaneous spraying of at least two clouds of droplets of micrometric or nanometric sizes each containing one of said precursor reaction partners of said material or a mixture thereof, through convergent nozzles in the direction of a solid surface on which jets of sprayed liquids are formed by covering a homogeneous liquid reaction zone in the form of a film of controlled thickness of between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m and inside which mainly occurs the reaction leading to said nanometric material.
  • Another object of the present invention relates to a reactor for the production of nanometric materials according to the method according to the invention.
  • This reactor comprises at least two sprayers, each fed with a liquid and whose spray nozzles converge towards a plate intercepting the sprayed liquid reactive jets, and in that the arrangement of the sprayers with respect to each other and with respect to said plate is such that the jets of sprayed liquid reagents overlap completely or partially on the surface of said plate to form a liquid reaction zone in the form of a homogeneous film of controlled thickness, preferably in continuous operation.
  • nanoscale material is a material that has at least one homogeneous element having a dimension, called thickness, which may vary between nanometer and several hundreds of nanometers, or even thousands of nanometers, and which allows it to acquire particular properties.
  • reaction partners any type of chemical entity, atom or molecule, which can bind to another chemical entity, atom or molecule, identical or different, possibly dissolved in one or more solvents.
  • solvent any product or substance allowing the dissolution of another product.
  • solvent molecules participate in the structure of the thin layer. It is possible to vary the viscosity of the solvent in order to modulate the characteristics of the spray (size of the droplets, speed of drainage, speed of the reaction, etc.).
  • the addition of neutral polymers (i.e. not reacting with the reaction partners) in the solvent can increase the viscosity of the solvent.
  • spray relates to the production of a cloud of droplets, that is to say containing droplets of micro or nanometric size, liquid and / or solid, suspended in the gas which contains them and which optionally the vehicle or space containing them.
  • This cloud of moving droplets will be defined as a spray jet or "spray".
  • This spray jet can have any shape (solid conical, hollow conic (the particles are present only on the periphery of the cone, for example), linear, etc.).
  • the spray is obtained using a sprayer, which may be an atomizer or any other device well known to those skilled in the art.
  • this sprayer consists of at least a liquid outlet nozzle which makes it possible to suspend in a carrier gas or in the atmosphere (environmental gas) said liquid in the form of droplets.
  • a carrier gas or in the atmosphere (environmental gas) said liquid in the form of droplets.
  • Any type of nozzle for spraying is usable.
  • the term "nozzle” therefore refers to the device for producing a cloud of droplets.
  • Solid surface means the surface of a solid body, that is to say a solid body, or object, firm enough and rigid to support the spray jets applied to it, without deformation (s) said object that would prevent the realization of the invention.
  • the spray nozzles are arranged in such a way that the spray nozzles from said nozzles or the cloud of droplets from the spray (s) overlap on at least a portion of the spray nozzles. volume occupied by the clouds of droplets before deposit on the surface of the support.
  • film is well known to those skilled in the art. This term refers to a 2D layer of liquid on the solid surface.
  • the thickness of the layer may be between about ten nanometers and several hundred microns.
  • the process according to the invention makes it possible to obtain a film having a thickness of 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • a reactor is the liquid 2D film on the surface according to the present invention, suitable for producing and optimizing chemical reactions and, more generally, processes for transforming the material according to the present invention.
  • all or part of the chemical reaction is in the film of controlled thickness.
  • the number of moles of the reactive reactive reactant in the film of controlled thickness is between 50% and 100%, more advantageously between 70% and 100%, even more advantageously between 80% and 100%, and even more advantageously between 90% and 100%.
  • the chemical reaction is essentially in the film of controlled thickness.
  • essentially it is understood that between 95% and 100% of the mole number of the deficient reagent reacted in the controlled thickness film.
  • reaction partners reaction partners, spraying, etc.
  • spraying etc.
  • An advantageous process according to the present invention concerns reaction partners leading to the product by chemical reaction.
  • Another advantageous method according to the present invention relates to reaction partners leading to the product by physical or physicochemical interaction.
  • the interaction between the reaction partners is advantageously controlled by determining at least one of the following adjustment parameters:
  • the simultaneous spraying can be carried out so as to minimize the collisions, contacts and / or coalescences of said reaction partners in the spray jets before coming into contact with the surface supporting the liquid reaction zone.
  • the spray jets can have various shapes and varied, for example in the form of solid or hollow cones, more or less constricted, according to spraying control techniques well known to those skilled in the art.
  • the spray nozzles used generate spray jets in the form of solid cones.
  • the spray can be controlled by interposing a screen with a calibrated aperture to select the central portion of the spray jets and avoid contamination of the surface by the edges of the jets.
  • the nature of the screen can be in any type of material and any form possible.
  • the opening of the additional screen, between the nozzle (s) and the point of overlap of the spray jets, is calibrated.
  • the screen can be interposed between the nozzle (s) and the point of recovery of the spray jets by any movement whatsoever.
  • the additional screen is inserted between the nozzle (s) and the point of overlap of the spray jets by a rotary movement.
  • the screen is said to be rotatable in this particular embodiment.
  • the additional screen is inserted between the nozzle (s) and the point of overlap of the spray jets by lateral linear movement on a slide system for example.
  • the screen is therefore linear in this particular embodiment.
  • Positioning of the spraying devices The positioning of the spraying devices (nozzle, sprayer, atomizer, etc.) is done in such a way that the surface on which the liquid reaction zone is formed is covered in the best possible way, c that is to say that there remains no zone (s) "free (s)", that is to say, not covered (s) of reaction liquid.
  • said nozzles are arranged so that the spray jets reach the surface on which the liquid reaction zone is formed, in a direction substantially orthogonal to the latter.
  • the surface on which the liquid reaction zone is formed is said to be solid.
  • the liquid reaction zone forms a film in which the nanometric material (s) are produced.
  • the film comprises one or more solvent (s) and "solutes" which are the reaction partners.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain a film with a controlled thickness of between ten nanometers and several hundred microns.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain a film having a thickness of 0.1 to 100 ⁇ m, advantageously between 0.2 and 50 ⁇ m, and more advantageously between 0.5 and 50 ⁇ m.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain a film having a substantially constant thickness.
  • the nanometric material can be obtained by chemical reaction or by physical or physicochemical interaction.
  • said reaction partners lead to the nanometric material by chemical reaction.
  • Any physical or physicochemical technique applicable in this case and known to those skilled in the art can be used, for example by complexation reactions or nucleation of crystals, or by physical transformation, such as the formation of an emulsion or precipitating an amorphous or crystalline compound.
  • it is possible to provoke a reaction by an additional manipulation which could consist of the use of laser technology, or also the use of strong magnetic and / or electric fields, the piezoelectric effect, a thermal radiation, ultrasound, the application of electrospray, electrochemistry, electromagnetic radiation such as microwave radiation, infrared radiation, UV radiation, etc., for example.
  • a gas such as nitrogen or an inert gas such as Argon in carrying out the process whether as a carrier gas in the spray, or simply in the chamber where the spray is done, or both. It is also possible to deposit under reduced pressure atmosphere films according to the present invention by the use for example of ultrasonic nozzles or electrospray type.
  • reaction partners lead to the nanometric material by physico-chemical interaction, such as crystal complexation or nucleation reactions, or by transformation.
  • physical such as the formation of an emulsion or the precipitation of an amorphous or crystalline compound.
  • said reaction partners lead to the nanometric material by chemical reaction or by physico-chemical interaction, such as complexation reactions or nucleation of crystals, or by physical transformation, such as the formation of a emulsion or precipitation of an amorphous or crystalline compound.
  • the solubility of the nanoscale material formed is lower than the solubility of the reaction partners in their liquid spray solution.
  • the nanometric material is obtained by precipitation of the product in solution in a solvent by contact with a non-solvent, o Setting parameters of the present invention
  • the formation reaction of the nanometric material is advantageously controlled by determining at least one of the following adjustment parameters:
  • the formation of the nanometric material being established remains the manner of recovering said nanometric material. This can be done in many ways; it is also one of the advantages of the present invention, which allows a high degree of modularity of recovery techniques. Indeed, as the process is done in a reactor that can be opened, it is possible to use a wide range of nanometric material recovery techniques known to those skilled in the art. Of course, these techniques for recovering the nanoscale material (s) formed depend on the physico-chemical state of the nanometric products in the solvent (s) that may contain them. Thus, in particular embodiments of the process of the present invention, the nanometric material is recovered as a solution, suspension or emulsion of particles. nanometrics, or complex dispersions, aggregates or composite materials, or multicomponent nanoparticles.
  • one of the embodiments makes it possible to recover the nanometric material by drainage.
  • the nanometric material is recovered for example by drainage from the liquid reaction zone, in particular through porous surfaces such as membranes.
  • Another embodiment according to the method of the present invention consists in recovering the nanometric material by rotation of the liquid reaction zone.
  • the nanometric material is recovered by drainage from the liquid reaction zone, in particular through porous surfaces such as membranes or by rotation of the liquid reaction zone.
  • Another aspect of the invention therefore relates to the solid surface on which the liquid reaction zone is formed.
  • a particular embodiment according to the method of the present invention relates to the surface on which forms the liquid reaction zone, which is a substantially flat surface.
  • Another particular embodiment according to the method of the present invention relates to the surface on which the liquid reaction zone is formed, which is a left surface having a symmetry of revolution.
  • a left surface is a non-developable set surface.
  • Yet another particular embodiment according to the method of the present invention relates to the surface on which the liquid reaction zone is formed, which is partially spherical.
  • Yet another particular embodiment according to the process of the present invention relates to the surface on which the liquid reaction zone is formed, which is partially ellipsoidic.
  • the surface on which the liquid reaction zone is formed is substantially planar, and / or a left surface having a symmetry of revolution and / or a partially spherical surface and / or a partially ellipsoid surface.
  • the surface on which the liquid reaction zone is formed is non-porous, partially porous or porous in order to allow control and / or recovery of the nanometric material (variation and control of density and pore size).
  • the surface on which the liquid reaction zone is formed with respect to said spray nozzles.
  • the surface on which the liquid reaction zone is formed is rotatable relative to a main axis substantially orthogonal to said surface.
  • the surface on which the liquid reaction zone is formed is fixed with respect to said spray nozzles or mobile in rotation with respect to a main axis substantially orthogonal to said surface.
  • the angle variation of the main axis orthogonal to the surface on which the liquid reaction zone is formed is between 0 ° and 10 °, preferably between 0 and 5 °.
  • the process of the present invention is characterized in that the functional surface on which the liquid reaction zone is formed is made of a non-adhesive material, such as PTFE or PE, wettable or non-wettable by the liquid of the film or the sprayed droplets that arrive on said surface.
  • the functional surface on which the liquid reaction zone is formed is of anti-fouling, catalytic, and / or can be agitated by ultrasound, etc.
  • the process of the present invention is conducted under ambient atmosphere or in a reactor having an inert gaseous atmosphere.
  • the process of the present invention is conducted within a reactor having a gaseous oxidizing, reducing or reactive atmosphere.
  • the process according to the present invention is conducted in the ambient atmosphere or in a reactor having an inert gaseous atmosphere or in a reactor having an oxidizing, reducing or reactive gaseous atmosphere.
  • Another object of the present invention relates to a reactor.
  • the reactor according to the present invention makes it possible to implement the method described above.
  • the reactor according to the present invention comprises at least two sprayers each fed with a liquid and whose spray nozzles converge towards a plate intercepting the jets of sprayed liquid reagents, and in that the arrangement of the sprayers between them and relative said plate is such that the jets of sprayed liquid reactants overlap completely or partially on the surface of said plate to form a liquid reaction zone in the form of a homogeneous film of controlled thickness.
  • Said plate on which the jets of liquid reagents are sprayed, can be positioned and oriented in any manner so as to achieve in accordance with the method described above.
  • said plate is positioned vertically so that the reaction liquid and / or the nanometric material flow as and when spraying according to the method of the present invention.
  • Said plate can also be inclined more or less strongly with respect to the vertical.
  • the inclination of said plate relative to the vertical axis is low for fast reactions or possibly not requiring additional treatment, that is to say at an angle between 0 ° and 45 ° relative to to the vertical axis.
  • the inclination of said plate relative to the horizontal axis is low for slow reactions or requiring additional treatment (for example by laser technology), that is to say at an angle between 0 ° and 45 ° to the horizontal axis.
  • the inclination is of course to be determined in each case by the skilled person, who will appreciate the development according to the targeted synthesis criteria.
  • the reactor according to the present invention further contains, in the immediate vicinity of said plate, means for recovering the nanometric material.
  • said recovery means in the reactor according to the present invention are drainage recovery means.
  • said recovery means in the reactor according to the present invention are means for recovery by centrifugation.
  • the surface on which the liquid reaction zone is formed is a substantially flat surface.
  • said surface on which the liquid reaction zone is formed is a left surface having a symmetry of revolution.
  • said surface on which the liquid reaction zone is formed is partially spherical.
  • said surface on which the liquid reaction zone is formed is partially ellipsoid.
  • the surface of said plate is made of a non-adhesive material, such as PTFE or PE.
  • the spraying carried out in the reactor makes it possible to implement the process described above.
  • the reactor contains sprayers defined above.
  • the spray jets can have various shapes and varied, for example in the form of solid or hollow cones, more or less constricted, according to spraying control techniques well known to those skilled in the art.
  • the spray nozzles are chosen so as to generate solid spray cones.
  • a screen provided with a calibrated opening is interposed between said spray nozzles and said plate, so as to select the central part of the spray jets and to avoid contamination. from the surface by the edges of the jets. It may be advantageous, when spraying according to the method of the invention, to add a rotating screen between the nozzle (s) and the point at which the spray jets overlap provided with at least one opening alternately passing in front of the nozzle. the spray jets for control the collisions and interactions of the spray droplets ( Figure 1).
  • the positioning of the spraying devices is such that the surface on which the liquid reaction zone is formed is covered in the best possible way, that is to say that there remains no area (s) "free”, that is to say, not covered (s) of reaction liquid.
  • the nozzles of the sprayers are arranged so that the spray jets come into contact with said plate in a direction substantially orthogonal to the latter.
  • the reactor according to the present invention further comprises, upstream of the sprayers, means making it possible to vary the reagent concentration of the liquids to be sprayed in order to control the progress of the reaction of formation of the nanometric material.
  • the means making it possible to vary the reagent concentration of the liquids to be sprayed is carried out by techniques well known to those skilled in the art for modulating the concentrations of solutions, for example by dilution, which may, for example, be carried out in a succession of tanks before spray.
  • a sprayer An additional flow of gas is directed to said plate so as to control the homogeneity and thickness of the film constituting the liquid reaction zone.
  • the reactor according to the present invention also contains, in the immediate vicinity of said plate, additional spraying means making it possible to generate a blow in the peripheral zones of the liquid reaction zone in order to eliminate the extra thicknesses of liquid at the periphery of the said plate.
  • an additional sprayer delivering an additional gas flow is directed towards said plate so as to control the homogeneity and thickness of the film constituting the liquid reaction zone, and or in the immediate vicinity of said plate, additional spraying means make it possible to generate a blow in the peripheral zones of the liquid reaction zone in order to eliminate the extra thicknesses of liquid at the periphery of said plate.
  • the operating conditions of the present invention are within the following minimum and maximum ranges:
  • Electrospray sprayers and ultrasonic sprays are known to operate at reduced pressure or in a vacuum and there is no or very little gas pressure.
  • one of the key points of the present invention is the high modularity of the described reactor and process.
  • the reactor according to the present invention may consist of a closed or open enclosure.
  • the reactor according to the invention consists of a closed chamber in which there is a controlled gaseous atmosphere.
  • the present invention allows the use of any gas at a desired pressure. It is thus possible to vary the environment during mixing according to the present invention, such as for example being in an oxidizing or reducing environment, or inert.
  • the gas is an inert gas such as argon.
  • one of the undeniable advantages of the present invention is the fact that in a particular embodiment, it may be a continuously operating reactor.
  • Figure 1 depicts a side view of an embodiment of the spray according to the present invention.
  • Figure 2 is a graph showing the intensity count of several mixtures of 2 reaction partners (PAH and DNA) as a function of their ratio.
  • FIG. 3 is a photograph of 3 tanks containing solutions / suspensions of ascorbic acid and HAUCI 4 distinct (molar ratios in ascorbic acid: HAUCI 4 of 1: 4, 1: 2 and 1: 1) obtained according to the spray of the present invention.
  • the solution of the left vat is colorless translucent, that of the center vat is translucent bluish, and that of the right vat is translucent pink.
  • Figures 4 and 5 are a photograph of 10 tanks containing solutions / suspensions obtained from ascorbic acid and HAUCI 4 (respective molar ratios from left to right of the mixtures "ascorbic acid: HAuCl 4 ": 1:10, 1: 9, 1: 8, 1: 7, 1: 6, 1: 5, 1: 4, 1: 3, 1: 2 and 1: 1) by manual mixing (FIG. 4) and by the present invention (FIG. 5) .
  • a variation of the colors of the solutions contained in the tanks represented shows a control of the reaction in the case of the solutions obtained by the present invention: the solutions of the tanks of FIG. 4 have disparate colors, whereas the solutions of the tanks of FIG. 5 are more homogeneous and representative of the ratios "ascorbic acid: HAUCI 4 ", which implies different particle sizes and aggregation in each case.
  • Figure 6 is a graph showing the variation in particle size as a function of the ratio of delivered volumes of ascorbic acid and HAUCI 4 (described in FIG. in FIGS. 4 and 5) obtained by manual mixing and by the present invention respectively.
  • FIG. 7 is a graph showing the variation of the particle size as a function of the ratio of delivered volumes of ascorbic acid and HAUCI 4 (described in FIGS. 4 and 5) obtained by the present invention at different recovery times of the drainage solution (30 seconds, 1 minute and 2 minutes).
  • Fig. 11 is a photograph of a sprayed plate according to the present invention.
  • the spray arrives from the right.
  • the spraying axis is centered on the silicon wafer.
  • Flow rate of the liquid 25 mL / min ⁇ 5 mL / min.
  • Gas flow rate 60 L / min ⁇ 10 L / min.
  • Nozzle-plate distance 18 cm ⁇ 5cm.
  • the liquid is pushed back on the edges of the support by the incoming air flow and thus forms a bulge on the edge of said support.
  • Figure 12 is a schematic representation (left) and a photograph (right) of the enclosure used to work under inert atmosphere.
  • FIG. 13 shows 2 tanks representing the products obtained by the present invention in the absence (a) and in the presence of oxygen (b) from a mixture of iron salts (II and II) and a sodium hydroxide solution .
  • Figure 14 shows the magnetic properties of the magnetite particles obtained by the present invention through a magnet.
  • FIG. 15 shows 2 tanks representing the products obtained by the present invention in the absence (a) and in the presence of oxygen (b) from iron sulphate and a sodium hydroxide solution containing a stabilizing agent (sodium phytate) .
  • the oxidized solution has an orange color, while the unoxidized one is green.
  • the tank containing the green solution in the air causes progressive discoloration of the solution by its surface in contact with the air, governed by the laws of diffusion.
  • N.B . In the following examples, if the solvent is not specified, it is water.
  • distance nozzle / plate between 8 and 35 cm
  • Spray deposition using "Air Boy” type compressed air sprayers allows interesting results in the case of conventional alternating sprays of polyelectrolyte multilayers (see Izquierdo et al., Langmuir, 2005, or Zhiquiang et al., CRAS 2009). ). The authors of the present invention have also used this type of equipment in simultaneous spraying of polyelectrolyte multilayers (see CH Porcel et al., Langmuir 2005).
  • the invention presented here relates to "multi-component nozzle” devices in which liquid droplets are formed in an air stream or other type of nozzle for spraying (electrospray, ultrasound, microbuse, atomizer, nebulizer, printing inkjet, piezoelectric, ).
  • a flow of gas through the nozzle or other part of the apparatus is essential in the embodiments of the following examples.
  • the type of device used makes it possible to precisely control the applied gas pressure and therefore the flow rate of gas and liquid sprayed.
  • efficient pumps in the implementation of the device of the invention are M50 liquid delivery pumps from VICI, Switzerland.
  • the advantage of using this type of equipment is the possibility of continuous spraying. All the examples described in the present invention can be realized by the use of an apparatus for precise control of the spraying parameters by the use of a pump or not.
  • Example 1 Comparison between traditional mixing and mixing according to a process of the present invention.
  • PAH polyallylamine hydrochloride
  • PSS polystyrene sulfonate
  • PHA molecular weight 56K
  • BSA bovine serum albumin
  • the count rate shows in this series of results that the products obtained by one or another technique are very different.
  • the table shows that we have access to other chemical species than those obtained by conventional mixing. Moreover, we can obtain these different products continuously.
  • Example 2 Effects of the change of mixing ratios with the technique according to the invention.
  • FIG. 3 shows the products obtained by mixing a solution of HAuC14 of 1 mM concentration and solutions of ascorbates of (a) 0.25 mM (excess of Au), (b) 0.5 mM (excess of ascorbate), and (c) ImM (equivalence between Au and ascorbate).
  • the different colors of the suspensions formed show the formation of nanoparticles of different sizes, control enabled by the process according to the invention. Additional studies were performed using a 5mM ascorbic acid solution and a 0.5mM solution of HAUCI 4 . In these experiments, the liquid flow rates delivered for ascorbic acid and HAUCI 4 were varied. It has been shown that different products have been formed according to these variations. An example of these variations in delivered liquid volume ratio is illustrated in FIG. Figure 4 for manual mixing and in Figure 5 for simultaneous spraying mixing (nitrogen pressure of 3 bar, total flow of liquid delivered by the 2 pumps is 20 mL / min, nozzle distance plate 25 cm).
  • Example 4 Formation of stable emulsions by simultaneous spraying of aqueous and organic phases.
  • Figures 8, 9 and 10 show the results obtained with respect to the destabilization time of the emulsions (surfactants, cyclohexane and water) after their preparation.
  • the surfactant used in these experiments was Rhodafac RA-600.
  • the cell A (that is to say, Ao, A 3 and A 2 4, with the index 0, 3, or 24 representative t e p r0 x) and the vessel B (that is ie B 0 , B 3 and B 2 4, with the index 0, 3, or 24 representing the t a pp r0 x) are vessels containing emulsions made in a conventional manner, and the tank C (this is - Co i.e., C3 and C24, with the index 0, 3, or 24 representative t e p r ox) contains an emulsion made by spraying according to the method of the present invention (compressed air pressure of 3 bar , liquid delivered by gravity, distance nozzle plate 25 cm).
  • the so-called "classic" emulsion of the tank A and the emulsion of the tank C were made from identical solutions. However, the inventors have realized that a significant portion of the organic solvent evaporates during spraying. Thus, the composition of the "sprayed" emulsion is different from the stoichiometry of the sprayed mixtures.
  • the tank B of each image thus corresponds to an emulsion prepared in a conventional manner with a composition similar to that of the tank C.
  • EXAMPLE 5 Synthesis of Magnetic Particles by Simultaneous Spray of a Solution Containing a Mixture of Iron II (0.1 M) and Iron III (0.2 M) Salts and a 0.5 M Sodium Solution (equation 1).
  • the particle size (nanometric to micrometric) is set by the concentrations used for the reaction partners in the present invention. In this example, relatively high concentrations were used for macroscopic visualization of the particles and their magnetic property. Nevertheless, the present invention also allows the synthesis of nanoparticles.
  • reaction must be carried out in the absence of oxygen to avoid the oxidation of the formed magnetite (FesC) into a non-magnetic product, iron hydroxide III (Fe (OH) 3 ) (equation 2 ).
  • FIG. 13 shows the formation of Fe (OH) 3, a solid of red / orange color, in the presence of oxygen while particles of magnetite of brown / black color are obtained in the absence of oxygen.
  • the magnetic properties of Fe3O4 particles were confirmed by placing a magnet next to the vessel containing them ( Figure 14). Thus, the particles, attracted by the magnet, are found after lh on the wall of the tank where the magnet is located.
  • FIG. 15 shows the formation of iron hydroxide particles (II and II) in the absence of oxygen (green solution) whereas in the presence of oxygen, the formation of iron hydroxide III (brown solution) is obtained. orange).

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Abstract

La présente invention concerne un nouveau procédé permettant de synthétiser des matériaux nanométriques en mélangeant des liquides dans un réacteur microfluidique quasi-2D. L'invention s'étend également au réacteur permettant la mise en œuvre de ce procédé.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D'UN MATERIAU NANOMETRIQUE ET
REACTEUR POUR SA MISE EN OEUVRE
La présente invention concerne une nouvelle méthode permettant de synthétiser des objets nanométriques en mélangeant des liquides dans un réacteur microfluidique quasi-2D .
La chimie est une science de la nature, divisée en plusieurs spécialités. Toutes ces spécialités ont pour objectif d'étudier et maîtriser la composition et la transformation de la matière.
La transformation de la matière peut passer par de nombreux procédés chimiques -réactions chimiques, formation de complexes, nucléation de cristaux, formation d' émulsions..., qui peuvent être effectuées en mélangeant deux solutions contenant un ou plusieurs réactifs. Ainsi, le mélangeage de liquide est sans nul doute l'une des techniques fondamentales en chimie. Toutefois cette technique est plus compliquée qu'elle n'y parait. En effet, la manière même de mélanger les solutions peut influencer les réactions qui ont lieu en leur sein. Par exemple, lorsque les vitesses de réactions sont lentes en comparaison avec la vitesse de mélangeage, la façon de mélanger a une influence négligeable sur la réaction. Or, dans les réactions dites rapides, la façon de mélanger devient critique afin de contrôler les procédés chimiques. En conséquence, un mélangeage rapide continu de liquides, comme c'est le cas dans les réacteurs de type « stopped flow » qui constitue une méthode optimisée pour mélanger de petites quantités de liquide en quelques millisecondes, ou plus récemment dans des réacteurs microfluidiques , est devenu un sujet d'actualité dans plusieurs domaines de la chimie (voir par exemple « Reaction in Droplets in Microfluidic Channel », Helen Song, Délai L. Chen, and Rustem F. Ismagilov, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7336- 7356) .
Le mélangeage de liquide se heurte également à des problèmes de solubilité des produits obtenus. En effet, mélanger de manière homogène et rapide plusieurs solutions ensembles est d'autant plus difficile que les produits de réaction sont insolubles dans le milieu, ou que se profile une séparation de phase. Alors une étape de mélangeage peut gagner à déterminer la nature et/ou les propriétés des produits de réaction (voir exemple : « National research Council, Beyond the Molecular Frontier : Challenges for Chemistry and Chemical Engineering, The National Académie Press, Washington, DC, 2003, pages 36-40) . Des exemples typiques incluent la formation de complexes entre des polyélectrolytes de différentes charges (par exemple les complexes ADN/polycations, qui sont importants dans la transfection de gènes) ou la synthèse de certaines nanoparticules (par exemple la nano-hydroxyapatite, qui semble intéressante dans la stimulation de la croissance osseuse ou cartilagineuse) . Ceci concerne également des matériaux plus complexes tels que des nanoparticules dites « nano-bags » constituées par exemple de polycations/citrates qui ont été récemment décrits (« From "nano-bags" to "micro-pouches " . Understanding and tweaking Flocculation -based Processes for the Préparation of New Nanoparticle-Composites », Gregory F. Schneider and Gero Decher, Nano Lett., 2008, 8 (11), pages 3598-3604).
Ainsi, le procédé de mélangeage est crucial pour contrôler les propriétés des matériaux produits dans tous les cas où une phase initiale de précipitation, une phase de séparation de phase ou une nucléation/germination a lieu plus rapidement que le temps nécessaire pour obtenir une solution homogène grâce au mélangeage. En outre, l'ordre même d'ajout des solutions peut avoir un impact sur le déroulement de la réaction. En effet, injecter une solution A à une solution B (Cas I) peut aboutir à un résultat différent à celui d'injecter une solution B à une solution A (Cas II) . C'est l'exemple bien connu d'ajout d'eau à une solution d'acide concentré (acide sulfurique, acide chlorhydrique, par exemple) dont la réaction peut être violente. En effet, il est bien connu qu'il vaut mieux ajouter l'acide à la solution d'eau.
De plus, des effets additionnels peuvent apparaître selon l'intensité et le type d'agitation, simplement à cause d'un excès initial local de B par rapport à A (Cas I) ou un excès initial local de A par rapport à B (Cas II) .
Les réacteurs chimiques modernes, aux conceptions optimisées, peuvent aider dans certains cas à mieux contrôler de tels procédés chimiques, mais seulement dans un intervalle très limité de contrôle des paramètres.
En outre, et même dans des réactions chimiques homogènes, le mélangeage peut influencer toutes les réactions bénéficiant d'un excès d'un réactif par rapport à l'autre, ou des réactions qui sont préférés à des concentrations spécifiques (cyclisation Vs . polymérisation) . Ces phénomènes sont amplifiés dans le cas de réactions en échantillons, dits en « batch ». Toutefois, il est à noter que les procédés chimiques visés par la présente invention sont essentiellement les réactions et procédés chimiques hétérogènes.
Une alternative récente intéressante pour contrôler les réactions difficiles est la technologie dite microfluidique . Cette technologie, voire discipline, traite du comportement, du contrôle précis et de la manipulation des fluides qui sont géométriquement confinés, typiquement à l'échelle submillimétrique. Cette technologie a créé une véritable révolution dans la chimie, permettant de nombreuses améliorations dans la façon de mettre en œuvre les réactions chimiques en permettant par exemple la production d'émulsions avec des gouttelettes d'émulsion presque totalement monodispersées , ou de phénomènes de nucléations, d' encapsulations de cellules vivantes ou encore de l'intégration de chaînes entières de réactions miniaturisées sur des puces de type « Lab-on-a-Chip ». Des revues montrant le potentiel énorme de la technologie microfluidique sont maintenant abondantes dans la littérature. Pour cette raison cette technologie ne sera pas détaillée outre mesure dans la présente demande.
Toutefois, les réacteurs conventionnels microfluidiques actuels sont limités par le débit de production. En effet, le débit classique par la voie de la technologie microfluidique conventionnelle est limité à environ 5 mL/heure. Cette limitation a incité d'autres développements tels que la technologie microfluidique massive parallèle. Toutefois, force est de constater que malgré ces développements la production en masse de produits demeure difficile à réaliser et le coût de production reste pour l'instant élevé.
Le réacteur décrit dans la présente demande est un réacteur microfluidique quasi-2D.
Deux solutions sont pulvérisées de manière synchrone sur une surface solide, formant ainsi un film liquide fin (voir figure 1) . C'est dans la formation même de ce film par cette technique que se trouve l'élément clé de l'invention. En effet, les jets arrivent au même moment sur la surface solide permettant un mélangeage contrôlé : les gouttelettes arrivant à la surface du liquide et/ou du support fusionnent pour former le film et produisent ainsi une zone de mélangeage extrêmement homogène. L'intérêt de la présente invention repose sur l'utilisation de gouttelettes de petite taille et d'un film liquide mince pour permettre un mélange rapide des partenaires réactionnels dans le film liquide par diffusion rapide (la vitesse de diffusion et de mélange sont une fonction inverse de la taille des gouttelettes et de l'épaisseur du film liquide) .
La fusion des gouttelettes individuelles avec le film liquide conduit à un mélange rapide des solutions contenant les partenaires réactionnels au sein du film liquide. Ainsi, un renouvellement permanent du film liquide est obtenu par la présente invention.
La présente invention permet de réduire dramatiquement des gradients de concentrations macroscopiques pendant le mélange continu d'au moins 2 liquides.
En outre, il est possible de créer un gradient de concentration intentionnel en utilisant des jets décalés (sans cache) .
Le réacteur de la présente invention a l'avantage de produire à un haut débit des films liquides dans lesquels ont lieu des réactions, et ce en continu. L'épaisseur du film obtenu à la surface du support solide est contrôlée grâce aux caractéristiques de la pulvérisation (par exemple les débits d'air/solutions appliqués, ou par exemple le débit de solutions/fréquence et/ou amplitude d'utilisation des ultrasons dans le cas d'une pulvérisation avec une buse à ultrasons) et à la nature de la surface solide (rugosité, angle de contact, ...) . Il est également possible de récupérer le liquide qui s'évacue par drainage de la surface solide, le dit liquide pouvant être une suspension de complexes polyélectrolytes , de précipités inorganiques, etc, ainsi que les nanomatériaux que ledit liquide contient. En fonction des pompes et des buses, un réacteur avec un diamètre de 10 cm à un seul liquide permet d'utiliser des volumes de réaction en routine entre 50 yL et environ 100 mL par minute. En comparaison avec des réacteurs microfluidiques classiques, même des réacteurs de conception simple selon la présente invention, permettent des débits de 103 à 106 fois supérieurs aux réacteurs microfluidiques classiques à chenal selon les dimensions des jets pulvérisés, de la taille du support 2D, et de la densité des gouttelettes pulvérisées.
Un autre avantage du réacteur de la présente invention est la possibilité d'ajuster précisément et dans une gamme étendue la stœchiométrie des deux (ou plus) réactifs en contrôlant simplement le débit de chaque buse. En effet le drainage du liquide n'est pas limité par quelque contrainte que ce soit car le réacteur peut être complètement ouvert. Cette ouverture est un critère technique permettant de démarquer clairement le réacteur de la présente invention vis-à-vis de la technologie microfluidique fermée à chenal, dans laquelle le débit maximum est limité par le diamètre des chenaux. En outre et au vu de la simplicité de mise en œuvre du procédé de la présente invention, il est possible dans des cas particuliers de réactions de facilement travailler en atmosphère contrôlée (voir Exemple 6) .
Ainsi, le réacteur de la présente invention est extrêmement simple à fabriquer et à mettre en œuvre. Un tel réacteur permet un haut degré d'optimisation de la synthèse et ce, pour une grande variété de nanomatériaux, d'agrégats et de petits matériaux composites. De plus, le fait que le liquide arrive sur la surface 2D par la troisième dimension, permet de facilement moduler le réacteur selon les différentes applications. Résumé de l'invention :
L'objet de l'invention consiste en un procédé pour produire un matériau de taille nanométrique à micrométrique à partir d'au moins deux partenaires réactionnels . L'objet de l'invention implique la pulvérisation simultanée d'au moins deux nuages de gouttelettes de tailles micrométriques ou nanométriques contenant chacun l'un desdits partenaires réactionnels précurseurs dudit matériau ou un mélange de ces derniers, au travers de buses convergentes en direction d'une surface solide sur laquelle se forme, par recouvrement des jets de liquides pulvérisés, une zone réactionnelle liquide homogène se présentant sous la forme d'un film d'épaisseur contrôlée comprise entre 0,1 ym et 100 ym et à l'intérieur duquel se produit principalement la réaction conduisant audit matériau nanométrique.
Un autre objet de la présente invention concerne un réacteur pour la production de matériaux nanométriques conformément au procédé selon l'invention. Ce réacteur comprend au moins deux pulvérisateurs alimentés chacun par un liquide et dont les buses de pulvérisation convergent en direction d'une plaque interceptant les jets réactifs liquides pulvérisés, et en ce que la disposition des pulvérisateurs entre eux et par rapport à ladite plaque est telle que les jets de réactifs liquides pulvérisés se recouvrent totalement ou partiellement à la surface de ladite plaque pour former une zone réactionnelle liquide se présentant sous la forme d'un film homogène d'épaisseur contrôlée, préférentiellement à fonctionnement en continu.
Définitions :
Un « matériau nanométrique » est un matériau qui comporte au moins un élément homogène possédant une dimension, appelée épaisseur, qui peut varier entre un nanomètre et plusieurs centaines de nanomètres, voire milliers de nanomètres, et qui lui permet d'acquérir des propriétés particulières.
Par « partenaires réactionnels » il est entendu tout type d'entité chimique, atome ou molécule, pouvant se lier à une autre entité chimique, atome ou molécule, identique ou différente, éventuellement dissoute dans un ou plusieurs solvants .
Par « solvant » selon la présente invention, il est compris tout produit ou substance permettant la dissolution d'un autre produit. En outre, il est possible que des molécules de solvant participent à la structure de la couche mince. Il est possible de faire varier la viscosité du solvant afin de moduler les caractéristiques de la pulvérisation (taille des gouttelettes, vitesse de drainage, rapidité de la réaction, etc) . Par exemple l'ajout de polymères neutres (c'est-à-dire ne réagissant pas avec les partenaires réactionnels) dans le solvant peut augmenter la viscosité du solvant.
Le terme « pulvérisation » selon la présente invention concerne la production d'un nuage de gouttelettes, c'est à dire contenant des gouttelettes de tailles micro ou nanométriques , liquides et/ou solides, en suspension dans le gaz qui les contient et qui éventuellement les véhicule ou l'espace qui les contient. Ce nuage de gouttelettes en mouvement, sera défini comme un jet de pulvérisation ou « spray ». Ce jet de pulvérisation peut avoir n'importe quelle forme (conique plein, conique creux (les particules ne sont présentes que sur la périphérie du cône par exemple), linéaire, etc.). La pulvérisation s'obtient à l'aide d'un pulvérisateur, qui peut être un atomiseur ou tout autre dispositif bien connu de l'homme du métier. Avantageusement, ce pulvérisateur est constitué d'au moins une buse de sortie du liquide qui permet de suspendre dans un gaz porteur ou dans l'atmosphère (gaz d'environnement) ledit liquide sous forme de gouttelettes. Tout type de buse permettant une pulvérisation est utilisable. Le terme « buse », fait donc référence au dispositif permettant la production d'un nuage de gouttelettes.
Par « surface solide » il est entendu la surface d'un corps solide, c'est-à-dire un corps solide, ou objet, assez ferme et rigide pour supporter les jets de pulvérisations qui lui sont appliqués, sans déformation ( s ) dudit objet qui empêcherait la réalisation de l'invention.
Le terme « simultanée » implique qu' il y a plusieurs pulvérisateurs agissant en même temps sur le même support.
Par « buses convergentes », il est compris que les buses de pulvérisation sont disposées de manière à ce que les jets de pulvérisation provenant desdites buses ou les nuages de gouttelettes issus de la/les pulvérisation ( s ) se recouvrent sur au moins une portion du volume occupé par les nuages de gouttelettes avant dépôt sur la surface du support.
Le terme « film » est bien connu de l'homme du métier. Ce terme fait référence à une couche 2D de liquide sur la surface solide. L'épaisseur de la couche peut être comprise entre une dizaine de nanomètres et plusieurs centaines de microns. Avantageusement, le procédé selon l'invention permet d'obtenir un film présentant une épaisseur de 0,1 ym à 100 ym.
Un réacteur est le film 2D liquide sur la surface selon la présente invention, apte à la réalisation et l'optimisation de réactions chimiques et plus généralement de procédés de transformation de la matière selon la présente invention. Par « principalement », il est compris que toute ou partie de la réaction chimique se fait dans le film d'épaisseur contrôlée. Avantageusement, le nombre de moles du réactif déficitaire ayant réagit dans le film d'épaisseur contrôlée est comprise entre 50% et 100%, plus avantageusement entre 70% et 100%, encore plus avantageusement entre 80% et 100%, bien plus avantageusement encore entre 90% et 100%. De manière préférée, la réaction chimique se fait essentiellement dans le film d'épaisseur contrôlée. Par « essentiellement », il est compris qu'entre 95% et 100% du nombre de mole du réactif déficitaire ont réagit dans le film d'épaisseur contrôlée. Ces pourcentages sont combinables entre eux selon la réaction chimique considérée. Dans des modes de réalisations particuliers impliquant par exemple des réactions en cascade, le terme « la réaction chimique » comprend l'ensemble des réactions impliquées.
Description détaillée :
Les différents critères techniques considérés (partenaires réactionnels , pulvérisation, etc..) sont bien sûr applicables les uns aux autres pour toutes les combinaisons possibles.
Partenaires réactionnels
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant les partenaires réactionnels sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
Un procédé avantageux selon la présente invention concerne des partenaires réactionnels conduisant au produit par réaction chimique. Un autre procédé avantageux selon la présente invention concerne des partenaires réactionnels conduisant au produit par interaction physique ou physico-chimique.
Contrôle interaction entre les partenaires réactionnels
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant le contrôle des interactions entre les partenaires réactionnels sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
Ainsi, selon le procédé de la présente invention, l'interaction entre les partenaires réactionnels est avantageusement contrôlée par détermination de l'un au moins des paramètres de réglage suivants :
concentration des partenaires réactionnels dans chaque liquide et viscosité de chacun des liquides de pulvérisation contenant les partenaires réactionnels ; composition et nature du solvant présent dans chacun des liquides pulvérisés ;
température des liquides pulvérisés ;
dimension, densité, vitesse et polydispersité des gouttelettes en fonction de la géométrie et de la nature des buses de pulvérisation ;
variation des angles au sommet des cônes de dispersions des jets de pulvérisation ;
distance entre les buses et la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide ;
inclinaison de ladite surface par rapport à l'axe principal des jets de pulvérisation ;
débit des jets de pulvérisation des différents 1iquides ; nature, température, débit et/ou pression du gaz porteur utilisé pour les pulvérisations,
nature du substrat
Ces caractéristiques sont bien connues de l'homme du métier qui saura les régler individuellement vis-à-vis des autres caractéristiques et selon les propriétés voulues du film dans lequel les réactions ont lieu.
Pulvérisation
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant les critères de pulvérisations sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention .
Pulvérisation simultanée
Selon le Procédé de l'invention, la pulvérisation simultanée peut être conduite de manière à minimiser les collisions, contacts et/ou coalescences desdits partenaires réactionnels dans les jets de pulvérisation avant d'arriver au contact de la surface supportant la zone réactionnelle liquide.
Il est possible dans le procédé selon l'invention, en plus de ladite pulvérisation simultanée, de procéder à une pulvérisation complémentaire d'un gaz et/ou d'un solvant de dilution additionnelle, et/ou d'un autre liquide contenant d'autres produits tels que par exemple des tensio-actifs ou des catalyseurs.
Moyens de contrôle de la pulvérisation
o Forme des jets de pulvérisation
Les jets de pulvérisation peuvent avoir des formes diverses et variées, par exemple sous forme de cônes pleins ou creux, plus ou moins resserrés, selon les techniques de contrôle de pulvérisations bien connus de l'homme du métier . Avantageusement, selon le procédé de l'invention, les buses de pulvérisation utilisées génèrent des jets de pulvérisation sous forme de cônes pleins.
o Positionnement d'un obturateur mobile
Dans le procédé selon l'invention, la pulvérisation peut être contrôlée en interposant un écran muni d'une ouverture calibrée pour sélectionner la partie centrale des jets de pulvérisation et éviter la contamination de la surface par les bords des jets. La nature de l'écran peut être en tout type de matériau et toute forme possible.
Il peut ainsi être avantageux lors de la pulvérisation selon le procédé de l'invention d'interposer un écran additionnel entre la/les buse (s) et le point de recouvrement des jets de pulvérisation muni d'au moins une ouverture passant alternativement devant les jets de pulvérisation pour contrôler les collisions et interactions des gouttelettes pulvérisées (Figure 1).
De manière avantageuse, l'ouverture de l'écran additionnel, entre la/les buse (s) et le point de recouvrement des jets de pulvérisation, est calibrée.
L'écran peut s'intercaler entre la/les buse (s) et le point de recouvrement des jets de pulvérisations par quel que mouvement que ce soit.
De manière avantageuse, l'écran additionnel s'intercale entre la/les buse (s) et le point de recouvrement des jets de pulvérisations par un mouvement rotatif. L'écran est donc dit rotatif dans ce mode de réalisation particulier.
De manière avantageuse, l'écran additionnel s'intercale entre la/les buse (s) et le point de recouvrement des jets de pulvérisations par un mouvement linéaire latéral sur un système de glissières par exemple. L'écran est donc dit linéaire dans ce mode de réalisation particulier .
Il peut en outre être avantageux lors de la pulvérisation selon le procédé de l'invention d'interposer un écran additionnel entre la/les buse (s) et le point de début de recouvrement des jets de pulvérisation.
o Positionnement des dispositifs de pulvérisation Le positionnement des dispositifs de pulvérisation (buse, pulvérisateur, atomiseur, etc.) se fait de manière à ce que la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide soit recouverte de la meilleure façon que ce soit, c'est-à-dire qu'il ne reste plus de zone (s) « libre (s) », c'est-à-dire non recouverte ( s ) de liquide réactionnel.
Ainsi, avantageusement selon le procédé de l'invention, lesdites buses sont disposées de manière que les jets de pulvérisation arrivent sur la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide, selon une direction essentiellement orthogonale par rapport à cette dernière.
Avantageusement, la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide, est dite solide.
Avantageusement, la zone réactionnelle liquide forme un film dans lequel le ou les matériaux nanométriques sont produits.
Il est bien entendu possible, même si ce mode de réalisation n'est pas la forme préférée de la présente invention, que le film produit présente des variations d'épaisseur, exposant ainsi des zones « libres » non recouvertes de liquide réactionnel.
Film
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant les films obtenus sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
Dans la présente invention, le film comprend un ou plusieurs solvant (s) et des « solutés » qui sont les partenaires réactionnels . Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un film d'épaisseur contrôlée comprise entre une dizaine de nanomètre et plusieurs centaines de microns. Avantageusement, le procédé selon l'invention permet d'obtenir un film présentant une épaisseur de 0,1 à lOOym, avantageusement entre 0.2 et 50ym, et plus avantageusement entre 0.5 et 50 ym. De manière avantageuse, le procédé selon l'invention, permet d'obtenir un film présentant une épaisseur sensiblement constante.
En outre, dans le procédé selon la présente invention, il est avantageux de procéder au soufflage d'un flux de gaz ou d'un liquide additionnel pour contrôler l'homogénéité et l'épaisseur du film constituant la zone de réaction liquide, pour améliorer le mélangeage et la qualité du film et pour diluer la zone réactionnelle .
Matériau nanométrique
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant les matériaux nanométriques obtenus sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
Comme expliqué plus haut, le matériau nanométrique peut être obtenu par réaction chimique ou par interaction physique ou physico-chimique.
o Interactions chimiques /physico-chimiques
De manière avantageuse, selon le procédé de la présente invention, lesdits partenaires réactionnels conduisent au matériau nanométrique par réaction chimique. Toute technique physique ou physico-chimique applicable en l'espèce et connue de l'homme du métier peut être utilisée, par exemple par réactions de complexation ou de nucléation de cristaux, ou encore par transformation physique, telle que la formation d'une émulsion ou la précipitation d'un composé amorphe ou cristallin. En outre, il est possible de provoquer une réaction par une manipulation supplémentaire qui pourrait consister en l'utilisation de la technologie laser , ou encore en l'utilisation de champs magnétiques et/ou électriques forts, de l'effet piézoélectrique, d'un rayonnement thermique, d'ultrasons, de l'application d'un électrospray, d' électrochimie , de rayonnements électromagnétiques tels que des rayonnements microondes, des rayonnements infra rouges, des rayonnements UV, etc., par exemple.
Il est également possible d'utiliser un gaz tel que l'azote ou encore un gaz inerte tel que l'Argon dans la réalisation du procédé que ce soit en tant que gaz porteur dans la pulvérisation, ou tout simplement dans l'enceinte où la pulvérisation est faite, ou les deux. Il est également possible de déposer sous atmosphère à pression réduite des films selon la présente invention par l'utilisation par exemple de buses à ultrasons ou de type électrospray.
Il est également possible de déposer sous vide des films selon la présente invention par l'utilisation par exemple de buses à ultrasons ou à électrospray. Ainsi, selon un mode de réalisation particulier du procédé de la présente invention, lesdits partenaires réactionnels conduisent au matériau nanométrique par interaction physico-chimique, telle que des réactions de complexation ou de nucléation de cristaux, ou encore par transformation physique, telle que la formation d'une émulsion ou la précipitation d'un composé amorphe ou cristallin.
Selon le procédé de la présente invention, lesdits partenaires réactionnels conduisent au matériau nanométrique par réaction chimique ou par interaction physico-chimique, telle que des réactions de complexation ou de nucléation de cristaux, ou encore par transformation physique, telle que la formation d'une émulsion ou la précipitation d'un composé amorphe ou cristallin.
En outre, il est avantageux que par le procédé de la présente invention, la solubilité du matériau nanométrique formé soit plus faible que la solubilité des partenaires réactionnels dans leur solution liquide de pulvérisation. Par exemple, dans un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention, il est possible que le matériau nanométrique soit obtenu par précipitation du produit en solution dans un solvant par contact avec un non-solvant, o Paramètres de réglage de la présente invention
Selon le procédé de la présente invention, la réaction de formation du matériau nanométrique est avantageusement contrôlée par détermination de l'un au moins des paramètres de réglage suivants :
concentration des partenaires réactionnels dans chaque liquide et viscosité de chacun des liquides de pulvérisation contenant les partenaires réactionnels ; composition et nature du solvant présent dans chacun des liquides pulvérisés ;
température des liquides pulvérisés ;
dimension, densité, vitesse et polydispersité des gouttelettes en fonction de la géométrie et de la nature des buses de pulvérisation ; variation des angles au sommet des cônes de dispersions des jets de pulvérisation ;
distance entre les buses et la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide ;
- inclinaison de ladite surface par rapport à l'axe principal des jets de pulvérisation ;
débit des jets de pulvérisation des différents 1iquides ;
nature, température, débit et/ou pression du gaz porteur utilisé pour les pulvérisations ;
nature du substrat.
Ces caractéristiques sont bien connues de l'homme du métier qui saura les régler individuellement vis-à-vis des autres caractéristiques et selon les propriétés voulues du film dans lequel les réactions ont lieu.
o Récupération du matériau nanométrique
La formation du matériau nanométrique étant établi, reste la manière de récupérer ledit matériau nanométrique. Celle-ci peut se faire de plusieurs manières ; c'est d'ailleurs l'un des avantages de la présente invention, qui permet une forte modularité des techniques de récupération. En effet comme le procédé se fait dans un réacteur qui peut être ouvert, il est possible d'utiliser une large gamme de techniques de récupération de matériau nanométrique connues par l'homme du métier. Bien entendu ces techniques de récupérations du ou des matériaux nanométriques formés dépendent de l'état physico-chimique des produits nanométriques dans le ou les solvants qui éventuellement les contiennent. Ainsi, dans des modes de réalisations particuliers du procédé de la présente invention, le matériau nanométrique est récupéré sous la forme d'une solution, suspension ou émulsion de particules nanométriques , ou bien de dispersions complexes, agrégats ou matériaux composites, ou encore de nanoparticules multicomposites .
En particulier, l'un des modes de réalisation permet de récupérer le matériau nanométrique par drainage. Ainsi, de manière avantageuse selon le procédé de la présente invention, le matériau nanométrique est récupéré par exemple par drainage à partir de la zone réactionnelle liquide, en particulier au travers de surfaces poreuses telles que des membranes.
Un autre mode de réalisation selon le procédé de la présente invention consiste à récupérer le matériau nanométrique par rotation de la zone réactionnelle liquide. Ainsi, selon le procédé de la présente invention, le matériau nanométrique est récupéré par drainage à partir de la zone réactionnelle liquide, en particulier au travers de surfaces poreuses telles que des membranes ou par rotation de la zone réactionnelle liquide.
Surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide
Un autre aspect de l'invention concerne donc la surface solide sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide .
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant les surfaces sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
Ainsi, un mode de réalisation particulier selon le procédé de la présente invention, concerne la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide, qui est une surface essentiellement plane.
Un autre mode de réalisation particulier selon le procédé de la présente invention, concerne la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide, qui est une surface gauche présentant une symétrie de révolution.
Une surface gauche est une surface réglée non développable .
Encore un autre mode de réalisation particulier selon le procédé de la présente invention, concerne la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide, qui est partiellement sphérique.
Et encore un autre mode de réalisation particulier selon le procédé de la présente invention, concerne la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide, qui est partiellement ellipsoïdique.
Ces différents modes de réalisations peuvent être associés les uns aux autres. Ainsi dans le procédé selon la présente invention, la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est essentiellement plane, et/ou une surface gauche présentant une symétrie de révolution et/ou une surface partiellement sphérique et/ou une surface partiellement ellipsoïdique.
Et dans encore un autre mode de réalisation particulier selon le procédé de la présente invention, la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est non poreuse, partiellement poreuse ou poreuse afin de permettre le contrôle et/ou la récupération du matériau nanométrique (variation et contrôle de la densité et de la taille des pores) .
Dans un mode de réalisation particulier selon le procédé de la présente invention, la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est fixe par rapport auxdites buses de pulvérisation.
Dans un autre mode de réalisation particulier selon le procédé de la présente invention, la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est mobile en rotation par rapport à un axe principal sensiblement orthogonal à ladite surface.
Ainsi, selon le procédé de la présente invention, la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est fixe par rapport auxdites buses de pulvérisation ou mobile en rotation par rapport à un axe principal sensiblement orthogonal à ladite surface. Par
« sensiblement » il est compris que la variation d'angle de l'axe principale orthogonal à la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est comprise entre 0° et 10°, avantageusement entre 0 et 5°.
Dans un mode de réalisation particulier, le procédé de la présente invention est caractérisé en ce que la surface fonctionnelle sur laquelle se forme la zone de réaction liquide est réalisée en une matière non adhésive, telle que du PTFE ou du PE, mouillable ou non mouillable par le liquide du film ou les gouttelettes pulvérisées qui arrivent sur ladite surface. Avantageusement, la surface fonctionnelle sur laquelle se forme la zone de réaction liquide est de type antisalissure, catalytique, et/ou peut être agitée par ultrasons, etc.
Dans un mode de réalisation particulier, le procédé de la présente invention est conduit sous atmosphère ambiante ou au sein d'un réacteur présentant une atmosphère gazeuse inerte .
Dans un autre mode de réalisation, le procédé de la présente invention est conduit au sein d'un réacteur présentant une atmosphère gazeuse oxydante, réductrice ou réactive .
Ainsi, le procédé selon la présente invention est conduit à l'atmosphère ambiante ou au sein d'un réacteur présentant une atmosphère gazeuse inerte ou au sein d'un réacteur présentant une atmosphère gazeuse oxydante, réductrice ou réactive.
REACTEUR en tant que tel
Un autre objet de la présente invention concerne un réacteur. Le réacteur selon la présente invention permet de mettre en œuvre le procédé décrit ci-dessus.
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant le réacteur sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
Le réacteur selon la présente invention comprend au moins deux pulvérisateurs alimentés chacun par un liquide et dont les buses de pulvérisation convergent en direction d'une plaque interceptant les jets de réactifs liquides pulvérisés, et en ce que la disposition des pulvérisateurs entre eux et par rapport à ladite plaque est telle que les jets de réactifs liquides pulvérisés se recouvrent totalement ou partiellement à la surface de ladite plaque pour former une zone réactionnelle liquide se présentant sous la forme d'un film homogène d'épaisseur contrôlée.
Positionnement de la plaque
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant le positionnement de la plaque sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention . Ladite plaque, sur laquelle sont pulvérisés les jets de réactifs liquides, peut être positionnée et orientée de quelque manière que ce soit de manière à réaliser conformément le procédé décrit ci-dessus. Très avantageusement, ladite plaque est positionnée de manière verticale afin que le liquide réactionnel et/ou le matériau nanométrique s'écoulent au fur et à mesure de la pulvérisation selon le procédé de la présente invention. Ladite plaque peut aussi être inclinée plus ou moins fortement par rapport à la verticale.
Les variations de ces inclinaisons sont dépendantes des facteurs de pulvérisation et/ou de la formation des nanoparticules .
Avantageusement, l'inclinaison de ladite plaque par rapport à l'axe verticale est faible pour les réactions rapide ou éventuellement ne nécessitant pas de traitement supplémentaire, c'est-à-dire d'un angle compris entre 0° et 45° par rapport à l'axe vertical.
Avantageusement, l'inclinaison de ladite plaque par rapport à l'axe horizontale est faible pour les réactions lente ou nécessitant un traitement supplémentaire (par exemple par la technologie laser), c'est-à-dire d'un angle compris entre 0° et 45° par rapport à l'axe horizontale. L' inclinaison est bien entendu à déterminer dans chaque cas par l'homme du métier, qui saura en apprécier la mise au point selon les critères de synthèse ciblés.
Récupération du matériau nanométrique
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant la récupération du matériau nanométrique sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention. Ainsi, avantageusement, le réacteur selon la présente invention, contient en outre, au voisinage immédiat de ladite plaque, des moyens de récupération du matériau nanométrique .
Dans un mode de réalisation particulier, lesdits moyens de récupération dans le réacteur selon la présente invention sont des moyens de récupération par drainage.
Dans un autre mode de réalisation particulier, lesdits moyens de récupération dans le réacteur selon la présente invention sont des moyens de récupération par centrifugation .
Surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
En outre, dans un mode de réalisation particulier, dans le réacteur selon la présente invention, la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est une surface essentiellement plane.
Dans un autre mode de réalisation particulier, dans le réacteur selon la présente invention, ladite surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est une surface gauche présentant une symétrie de révolution.
Dans encore un autre mode de réalisation particulier, dans le réacteur selon la présente invention, ladite surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est partiellement sphérique.
Et encore dans un autre mode de réalisation particulier, dans le réacteur selon la présente invention, ladite surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est partiellement ellipsoïdique.
Dans un autre mode de réalisation particulier, dans le réacteur selon la présente invention, la surface de ladite plaque est réalisée en une matière non adhésive, telle que du PTFE ou du PE .
Pulvérisation
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant la pulvérisation sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
La pulvérisation effectuée dans le réacteur permet de mettre en œuvre le procédé décrit ci-dessus. Ainsi, le réacteur contient des pulvérisateurs définis ci-dessus. Les jets de pulvérisation peuvent avoir des formes diverses et variées, par exemple sous forme de cônes pleins ou creux, plus ou moins resserrés, selon les techniques de contrôle de pulvérisations bien connus de l'homme du métier .
Avantageusement, dans le réacteur selon la présente invention, les buses de pulvérisation sont choisies de manière à générer des cônes de pulvérisation pleins.
En outre, dans un mode de réalisation particulier du réacteur selon la présente invention, un écran muni d'une ouverture calibrée est interposée entre lesdites buses de pulvérisation et ladite plaque, de manière à sélectionner la partie centrale des jets de pulvérisation et éviter la contamination de la surface par les bords des jets. Il peut être avantageux lors de la pulvérisation selon le procédé de l'invention d'ajouter un écran rotatif entre la/les buse (s) et le point de début de recouvrement des jets de pulvérisation muni d'au moins une ouverture passant alternativement devant les jets de pulvérisation pour contrôler les collisions et interactions des gouttelettes pulvérisées (Figure 1) .
Le positionnement des dispositifs de pulvérisation (buse, pulvérisateur, atomiseur, etc.) se fait de manière à ce que la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide soit recouverte de la meilleure façon que ce soit, c'est-à-dire qu'il ne reste plus de zone (s) « libre », c'est-à-dire non recouverte ( s ) de liquide réactionnel.
II est bien entendu possible, même si ce mode de réalisation n'est pas la forme préférée de la présente invention, que le film produit présente des variations d'épaisseur, exposant ainsi des zones « libres » non recouvertes de liquide réactionnel.
Avantageusement, dans le réacteur selon la présente invention, les buses des pulvérisateurs sont disposées de manière que les jets de pulvérisation entrent en contact avec ladite plaque selon une direction essentiellement orthogonale par rapport à cette dernière.
En outre, dans un mode de réalisation particulier, le réacteur selon la présente invention comporte en outre en amont des pulvérisateurs, des moyens permettant de faire varier la concentration en réactif des liquides à pulvériser de manière à contrôler le déroulement de la réaction de formation du matériau nanométrique .
Les moyens permettant de faire varier la concentration en réactif des liquides à pulvériser passe par des techniques bien connus de l'homme du métier pour moduler les concentrations de solutions, par exemple par dilution, pouvant par exemple être effectuée dans une succession de cuves avant la pulvérisation.
En outre, dans un mode de réalisation particulier du réacteur selon la présente invention, un pulvérisateur supplémentaire amenant un flux de gaz additionnel est orienté vers ladite plaque de manière à contrôler l'homogénéité et l'épaisseur du film constituant la zone réactionnelle liquide.
Avantageusement le réacteur selon la présente invention, contient en outre, au voisinage immédiat de ladite plaque, des moyens de pulvérisation additionnels permettant de générer un soufflage dans les zones périphériques de la zone réactionnelle liquide afin d'éliminer les surépaisseurs de liquide à la périphérie de ladite plaque.
Il est possible d'avoir plusieurs jets d'air permettant de contrôler l'épaisseur/homogénéité du film.
Ainsi, dans un mode de réalisation particulier du réacteur selon la présente invention, un pulvérisateur supplémentaire amenant un flux de gaz additionnel est orienté vers ladite plaque de manière à contrôler l'homogénéité et l'épaisseur du film constituant la zone réactionnelle liquide, et/ou au voisinage immédiat de ladite plaque, des moyens de pulvérisation additionnels permettent de générer un soufflage dans les zones périphériques de la zone réactionnelle liquide afin d'éliminer les surépaisseurs de liquide à la périphérie de ladite plaque.
Par exemple dans le cas de pulvérisateurs, les conditions opératoires de la présente invention sont comprises dans les gammes de valeurs minimales et maximales suivantes :
pression de gaz : entre 0,05 et 15 bars
- distance buse/plaque : entre 0,5 cm et lm
flux de liquide : entre 0.01 mL/min et 5 L/min
Ces critères sont connus par l'homme du métier qui saura les appliquer à bon escient. Par exemple, il est bien connu que les pulvérisateurs de type électrospray et pulvérisateurs à ultrasons peuvent fonctionner à pression réduite ou dans le vide et qu'il n'y a alors pas ou très peu de pression de gaz.
Spécificités pouvant être ajoutées
Les modes de réalisations préférés de la présente invention concernant les spécificités pouvant être ajoutées sont bien sûr applicables aux autres modes de réalisations concernant les autres critères techniques de la présente invention.
Comme expliqué plus haut, l'un des points clés de la présente invention est la grande modularité du réacteur et du procédé décrits.
Par exemple, le réacteur selon la présente invention peut être constitué d'une enceinte fermée ou ouverte.
Dans un mode de réalisation particulier, le réacteur selon l'invention, est constitué en une enceinte fermée dans laquelle règne une atmosphère gazeuse contrôlée.
Ainsi, la présente invention permet l'utilisation d'un quelconque gaz à une pression voulue. Il ainsi possible de faire varier l'environnement lors du mélangeage selon la présente invention, comme par exemple être dans un environnement oxydant ou réducteur, ou inerte. Avantageusement, le gaz est un gaz inerte tel que l'argon.
De plus l'un des avantages indéniable de la présente invention est le fait que dans un mode de réalisation particulier, il peut s'agir d'un réacteur à fonctionnement continu .
Par fonctionnement continu, il est entendu que la pulvérisation ne s'interrompe pas lors de la mise en œuvre du procédé. Ainsi le renouvellement du film ne connaît pas d' interruption pendant la formation du matériau nanométrique voulu, en quantité voulue. Légende des figures :
La figure 1 décrit une vue de profil d'un mode de réalisation de la pulvérisation selon la présente invention .
La figure 2 est un graphique représentant le comptage d' intensité de plusieurs mélanges de 2 partenaires réactionnels (PAH et ADN) en fonction de leur rapport.
La figure 3 est une photographie de 3 cuves contenant des solutions/suspensions d'acide ascorbique et HAUCI4 distinctes (rapports molaires en acide ascorbique : HAUCI4 de 1:4, 1:2 et 1:1) obtenues selon la pulvérisation de la présente invention. La solution de la cuve de gauche est incolore translucide, celle de la cuve du centre est translucide bleutée, et celle de la cuve de droite est translucide rosée.
Les figures 4 et 5 sont une photographie de 10 cuves contenant des solutions/suspensions obtenues à partir d'acide ascorbique et HAUCI4 (rapports molaires respectifs de gauche à droite des mélanges « acide ascorbique :HAuCl4 » : 1:10, 1:9, 1:8, 1:7, 1:6, 1:5, 1:4, 1:3, 1:2 et 1:1) par mélangeage manuel (figure 4) et par la présente invention (figure 5) . Une variation des couleurs des solutions contenues dans les cuves représentées montre un contrôle de la réaction dans le cas des solutions obtenues par la présente invention : les solutions des cuves de la figure 4 ont des couleurs disparates, alors que les solutions des cuves de la figure 5 sont plus homogènes et représentatives des ratios « acide ascorbique : HAUCI4 », ce qui implique des tailles de particules et une agrégation différentes dans chaque cas.
La Figure 6 est un graphique représentant la variation de la taille des particules en fonction du rapport des volumes délivrés d'acide ascorbique et de HAUCI4 (décrit dans les figures 4 et 5) obtenue par mélangeage manuel et par la présente invention respectivement.
La figure 7 est un graphique représentant la variation de la taille des particules en fonction du rapport des volumes délivrés d'acide ascorbique et de HAUCI4 (décrit dans les figures 4 et 5) obtenue par la présente invention à différents temps de récupération de la solution par drainage (30 secondes, 1 minute et 2 minutes) .
Les figures 8, 9 et 10 sont des photographies de 3 cuves contenant 3 solutions/émulsions distinctes obtenus selon la pulvérisation de la présente invention ou par des techniques classiques avec des temps de latence approximatifs entre l'obtention des solutions et la photographie de tappr0x = 0 heures, 3 heures et 24 heures, respectivement.
La figure 11 est une photographie d'une plaque ayant subi une pulvérisation selon la présente invention. Le spray arrive de la droite. L'axe de pulvérisation est centré sur la plaque de silicium. Débit du liquide = 25 mL/min ± 5mL/min. Débit gaz = 60 L/min ±10 L/min. Distance buse-plaque = 18 cm ± 5cm. Le liquide est repoussé sur les bords du support par le flux d'air arrivant et forme ainsi un renflement sur le bord dudit support. La figure 12 est une représentation schématique (à gauche) et une photographie (à droite) de l'enceinte utilisée pour travailler sous atmosphère inerte.
La figure 13 montre 2 cuves représentant les produits obtenus par la présente invention en absence (a) et en présence d'oxygène (b) à partir d'un mélange de sels de fer (II et II) et d'une solution de soude. La figure 14 montre les propriétés magnétiques des particules de magnétite obtenues par la présente invention par le biais d'un aimant.
La figure 15 montre 2 cuves représentant les produits obtenus par la présente invention en absence (a) et en présence d'oxygène (b) à partir de sulfate de fer et d'une solution de soude contenant un agent stabilisant (phytate de sodium) . La solution oxydée prend une couleur orangée, tandis que celle non oxydée, est verte. Ainsi le fait de laisser la cuve contenant la solution verte à l'air, provoque une décoloration progressive de la solution par sa surface en contact avec l'air, régie par les lois de la diffusion .
La présente invention est décrite plus en détail à l'aide des exemples suivants, qui sont donnés à titre d'illustration et auxquels l'invention n'est pas limitée.
Exemples :
N.B. : Dans les exemples suivants, Si le solvant n'est pas spécifié, il s'agit d'eau.
Informations complémentaires sur les conditions opératoires utilisées dans les différents exemples :
pression de gaz : entre 1 et 5 bars
distance buse/plaque : entre 8 et 35 cm
- flux de liquide : entre 1 mL/min et 20 mL/min
Bien entendu, ces 3 paramètres doivent être ajustés pour obtenir des conditions optimales de formation des matériaux souhaités.
Le dépôt par spray en utilisant des pulvérisateurs à air comprimé de type « Air Boy » permettent des résultats intéressants dans le cas de pulvérisations alternées classiques de multicouches polyélectrolytes (voir Izquierdo et al., langmuir, 2005, ou Zhiquiang et al., CRAS 2009) . Les auteurs de la présente invention ont également utilisés ce type d'appareillage dans des pulvérisations simultanées de multicouches polyélectrolytes (voir C. H. Porcel et al., Langmuir 2005). Toutefois ce type d'appareillage dite « à buse à un seul composant » et qui opère sans gaz porteur et sans flux contrôlé d'un gaz inerte par exemple, n'a permis de réaliser une pulvérisation simultanée de multicouches polyélectrolytes concluante que dans un exemple rapporté dans l'article susmentionné.
L' invention présentée ici concerne des dispositifs à « buses à plusieurs composants » dans lesquels les gouttelettes de liquides sont formées dans un flux d'air ou tout autre type de buse pour la pulvérisation (électrospray, ultrason, microbuse, atomiseur, nébuliseur, impression jet d'encre, piézoélectrique, ...).
Par exemple, un flux de gaz au travers de la buse ou d'une autre partie de l'appareillage est essentiel dans les réalisations des exemples suivants. A présent, le type de dispositif utilisé permet de contrôler précisément la pression de gaz appliqué et donc le débit de gaz et de liquide pulvérisé. Par exemple, des pompes efficaces dans la mise en œuvre du dispositif de l'invention sont des pompes M50 de délivrance de liquides de la société VICI, Suisse. L'avantage d'utiliser ce type d'appareillage est la possibilité de procéder à une pulvérisation en continu. Tous les exemples décrits dans la présente invention peuvent être réalisées par l'utilisation d'un appareillage de contrôle précis des paramètres de pulvérisation par l'utilisation d'une pompe ou non. Exemple 1 : Comparaison entre mélangeage traditionnel et mélangeage selon un procédé de la présente invention.
Les essais ont été faits pour 4 systèmes différents comprenant un constituant anionique et un constituant cationique dans chaque cas :
(a) 1 mg/mL de chlorhydrate de polyallylamine (PAH) (Mass moléculaire de 56 K) et 0.45 mg/ml de sulfonate de polystyrène (PSS, masse moléculaire de 70 K) .
(b) 6.4 mM (Ca (N03) 2.H20 pour Ca2+ et 3.8 mM (NH4)2HP04 pour HP04 2".
(c) lmg/ml chlorhydrate de polyallylamine (PAH) (masse moléculaire de 56K) et 0.3 mg/mL d'acide déoxyribonucléique (DNA, masse moléculaire de 50-100 K)
(d) 0.014 mg/mL chlorhydrate de polyallylamine
(PAH) (masse moléculaire 56K) et 1 mg/ml d'albumine de sérum bovin (BSA, masse moléculaire 66K)
Les expériences de mélangeage dites traditionnelles ont été effectuées de la manière suivante : 5 mL de solution cationique a été rapidement ajouté à 5 mL d'une solution anionique sous agitation magnétique. La solution/suspension/émulsion résultante a été mélangée pendant 5 minutes, suivie de mesures de comptage d' intensité par diffusion de la lumière (Malvern, Zetasizer) . Les solutions/suspensions/émulsions obtenues par un ajout inverse des solutions cationiques/anioniques ont été effectuées de la même manière.
Les mêmes solutions ont été utilisées dans le procédé de mélangeage par pulvérisation simultanée de deux solutions (débit d'air comprimé de 30 mL/min, débit de liquide 10 mL/min, distance buse plaque 25 cm) . Les solutions ont été pulvérisées simultanément au centre d'une plaque positionnée de manière verticale. 1 à 2 mL de chaque mélange a été récolté au bas de la plaque, suivi de mesures de comptage de photons par dispersion de la lumière (Malvern, Zetasizer) , comme pour les expériences de mélangeages dites traditionnelles.
Les résultats sont regroupés dans le tableau 1 :
Figure imgf000036_0001
Le taux de comptage montre dans cette série de résultats que les produits obtenus par les unes ou autres techniques sont bien différents. Le tableau montre que nous avons accès à d'autres espèces chimiques que celles obtenus par mélangeage classique. Par ailleurs, nous pouvons obtenir ces différents produits de façon continue.
Exemple 2 : Effets du changement des ratios de mélange avec la technique selon l'invention.
Des mélanges de 1 mg/mL d' hydrochlorure de polyallylamine (PAH, masse moléculaire de 56K) et 0,3 mg/mL d'acide déoxyribonucléique (ADN, masse moléculaire de 50- 100K) ont été utilisés comme solution mère pour effectuer les expériences de mesure des effets du changement des ratios de mélange de l'un ou l'autre des deux composés avec la technique selon l'invention. Deux séries d'expériences ont été menées de manière à ce que l'un des composés soit dilué pour donner des ratios de mélange de 0.2, 0.5 et 0.8 à une concentration constante de l'autre composé de mélange. Des solutions à chaque ratio de mélange ont été pulvérisées simultanément sur une plaque verticale de manière centrée sur la surface de ladite plaque (débit d'air comprimé de 30 mL/min, débit de liquide variant de 2 à 10 mL/min, distance buse plaque 25 cm) . Les mélanges ont été récupérés en bas de ladite plaque à chaque pulvérisation pour analyse par comptage d' intensité par diffusion de la lumière. Voir figure 2 pour les résultats.
Conclusion : Le graphique montre bien que le contrôle de la synthèse de différents matériaux dans un réacteur continu .
Exemple 3 : Synthèse de nanoparticules d' or par réduction par l'ascorbate par mélangeage selon le procédé de la présente invention.
Des solutions d'acide ascorbique de ImM, 0.5mM, et 0.25mM ont été préparés. Une solution à ImM de HAUCI4 dans l'eau a également été préparée. Les deux solutions ont été pulvérisées simultanément sur une plaque positionnée verticalement (pression d'air comprimé de 3 bars, liquide délivré par gravité, distance buse plaque 25 cm) . Les solutions formées ont chacune été récupérées à la base de ladite plaque. La figure 3 montre les produits obtenus par mélangeage d'une solution de HAuC14 de concentration 1 mM et des solutions d' ascorbates de (a) 0.25mM (excès de Au), (b) 0.5 mM (excès d' ascorbate) , et (c) ImM (équivalence entre Au et ascorbate) .
Les différentes couleurs des suspensions formées montrent la formation de nanoparticules de différentes tailles, contrôle permis par le procédé selon l'invention. Des études complémentaires ont été réalisées à partir d'une solution d'acide ascorbique 5mM et une solution à 0,5mM de HAUCI4. Dans ces expériences, les débits de liquide délivré pour l'acide ascorbique et HAUCI4 ont été variés. Il a été montré que des produits différents ont été formés en fonction de ces variations. Un exemple de ces variations de rapport de volumes de liquide délivré est illustré dans la figure 4 pour un mélangeage manuel et dans la figure 5 pour un mélangeage par pulvérisation simultanée (pression d'azote de 3 bars, débit total de liquide délivré par les 2 pompes est 20 mL/min, distance buse plaque 25 cm) . Dans les deux cas, les rapports molaires d'acide ascorbique et de HAUC I 4 (« acide ascorbique : HAUC I 4 ») délivrés sont respectivement de gauche à droite 1:10, 1:9, 1:8, 1:7, 1:6, 1:5, 1:4, 1:3, 1:2 et 1:1. La taille des particules obtenues pour chaque rapport acide ascorbique/HAuCl4 a été déterminée dans les deux cas à l'aide d'un granulomètre centrifuge (CPS Instruments Inc.) . La figure 6 montre clairement un contrôle de la taille des particules en fonction du rapport des partenaires réactionnels par la présente invention alors que la taille des particules reste sensiblement la même quel que soit le rapport acide ascorbique/HAuCl4 par un mélangeage manuel. De plus, la taille des particules a été mesurée pour les différents rapports après 30 secondes, 1 minute et 2 minutes de pulvérisations (figure 7). Le comportement similaire observé dans les trois cas montre la capacité de la présente invention de produire des particules de taille contrôlée de façon continue.
Exemple 4 : Formation d'émulsions stables par pulvérisation simultanée de phases aqueuses et organiques.
Les figures 8, 9 et 10 représentent les résultats obtenus en ce qui concerne le temps de déstabilisation des émulsions ( surfactants , cyclohexane et eau) après leur préparation. Le surfactant utilisé dans ces expériences était le Rhodafac RA-600. Les solutions représentée dans la figure 8 ont été obtenues directement après préparation des émulsions, soit à tappr0x = 0 (tappr0x étant le temps approximatif) . Les solutions de la figure 9 sont les solutions obtenues à taDDr0x= 3 heures. Enfin les solutions de la figure 10 sont les solutions obtenues à tappr0x = 24 heures .
Dans chaque figure, la cuve A (c'est-à-dire Ao, A3 et A24, avec l'indice 0, 3, ou 24 représentant le tappr0x) et la cuve B (c'est-à-dire B0, B3 et B24, avec l'indice 0, 3, ou 24 représentant le tappr0x) sont des cuves contenant des émulsions faites de manière classique, et la cuve C (c'est- à-dire Co, C3 et C24, avec l'indice 0, 3, ou 24 représentant le tapprox) contient une émulsion faite par pulvérisation selon le procédé de la présente invention (pression d'air comprimé de 3 bars, liquide délivré par gravité, distance buse plaque 25 cm) . L' émulsion dite « classique » de la cuve A et l' émulsion de la cuve C ont été faites à partir de solutions identiques. Toutefois, les inventeurs se sont rendu compte qu'une partie non négligeable du solvant organique s'évaporait lors de la pulvérisation. Ainsi, la composition de l' émulsion dite « pulvérisée » est différente de la stœchiométrie des mélanges pulvérisés. La cuve B de chaque image correspond donc à une émulsion préparée de manière classique avec une composition similaire à celle de la cuve C.
Il est clair que d'après ces figures, l' émulsion faite par pulvérisation est plus stable que les émulsions obtenues de manière classique. Cet effet est reproductible, même si les inventeurs ne peuvent l'expliquer à ce jour. Ces résultats montrent une amélioration de la stabilité des émulsions et prouvent le concept de préparation des émulsions d'une façon continue.
Exemple 5 : synthèse de particules magnétiques par pulvérisation simultanée d'une solution contenant un mélange de sels de fer II (0,1 M) et de fer III (0,2 M) et d'une solution de soude à 0,5 M (équation 1) . La taille des particules (nanométrique à micrométrique) est fixée par les concentrations utilisées pour les partenaires réactionnels dans la présente invention. Dans cet exemple, des concentrations relativement élevées ont été utilisées pour une visualisation macroscopique des particules et de leur propriété magnétique. Néanmoins, la présente invention permet également la synthèse de nanoparticules . Dans tous les cas, la réaction doit être effectuée en absence d'oxygène pour éviter l'oxydation de la magnétite formée (FesC ) en un produit non magnétique, de l'hydroxyde de fer III (Fe(OH)3) (équation 2).
Fe 2+ + 2Fe 3+ + 8 •OH Fe304 + 4·Η20 équation 1
Fe304 + 0.25·Ο2 + 4.5·Η20 3»Fe (OH) 3 équation 2 Une expérience de contrôle a été conduite en présence
(air ambiant) et en absence d'oxygène (azote) pour vérifier le phénomène d' oxydation dans les conditions expérimentales de la présente invention.
La pulvérisation simultanée (pression d'azote de 3 bars, débit de liquide de 10 ml/min et distance aérographes/substrat de 30 cm) a été donc réalisée dans une enceinte fermée, un tube transparent en PMMA (poly (méthyl métacrylate) ) d'un diamètre de 25 cm et d'une longueur de 70 cm, purgée ou non avec de l'azote (figure 12) . La figure 13 montre la formation de Fe(OH) 3, solide de couleur rouge/orangée, en présence d'oxygène alors que des particules de magnétite de couleur brune/noire sont obtenus en absence d'oxygène. Les propriétés magnétiques des particules de Fe3Û4 ont été confirmées en plaçant un aimant à côté de la cuve les contenant (figure 14) . Ainsi, les particules, attirées par l'aimant, se retrouvent après lh sur la paroi de la cuve où se situe l'aimant. Un autre exemple de synthèse de particules à base de fer II et de fer III a confirmé la nécessité de travailler sous atmosphère inerte pour ce type de synthèse. Cette synthèse a été effectué par pulvérisation simultanée (pression d'azote de 3 bars, débit de la solution de fer: 10 ml/min, débit de la solution de base: 5 ml/min distance aérographes/substrat de 20 cm,) d'une solution de sulfate de fer II (FeS04*7H20, 10 mM) et d'une solution de soude (0,1 M) contenant un agent stabilisant (phytate de sodium, 4 mM) . La figure 15 montre la formation de particules d'hydroxyde de fer (II et II) en absence d'oxygène (solution verte) alors qu'en présence d'oxygène, on obtient la formation d'hydroxyde de fer III (solution brune- orangée) .
Ces deux exemples montre que la présente invention permet d' obtenir des particules magnétiques de façon contrôlée et en continu.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour produire un matériau de taille nanométrique à micrométrique à partir d'au moins deux partenaires réactionnels , caractérisé en ce qu'il implique la pulvérisation simultanée d'au moins deux nuages de gouttelettes de tailles micrométriques ou nanométriques contenant chacun l'un desdits partenaires réactionnels précurseurs dudit matériau ou un mélange de ces derniers, au travers de buses convergentes en direction d'une surface solide sur laquelle se forme, par recouvrement des jets de liquides pulvérisés, une zone réactionnelle liquide homogène se présentant sous la forme d'un film d'épaisseur contrôlée comprise entre 0,1 ym et 100 ym et à l'intérieur duquel se produit principalement la réaction conduisant audit matériau nanométrique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits partenaires réactionnels conduisent au matériau nanométrique par réaction chimique ou par interaction physico-chimique, telle que des réactions de complexation ou de nucléation de cristaux, ou encore par transformation physique, telle que la formation d'une émulsion ou la précipitation d'un composé amorphe ou cristallin.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est une surface essentiellement plane et/ou une surface gauche présentant une symétrie de révolution et/ou une surface partiellement sphérique et/ou une surface partiellement ellipsoïdique.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est non poreuse, partiellement poreuse, ou poreuse afin de permettre le contrôle et/ou la récupération du matériau nanométrique.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide est fixe par rapport auxdites buses de pulvérisation ou mobile en rotation par rapport à un axe principal sensiblement orthogonal à ladite surface .
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on interpose un écran muni d'une ouverture calibrée pour sélectionner la partie centrale des jets de pulvérisation et éviter la contamination de la surface par les bords du jets.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on interpose un écran additionnel entre la/les buse (s) et le point de recouvrement des jets de pulvérisation muni d'au moins une ouverture passant alternativement devant les jets de pulvérisation pour contrôler les collisions et interactions des gouttelettes pulvérisées.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solubilité du matériau nanométrique formé est plus faible que la solubilité des partenaires réactionnels dans leur solution liquide de pulvérisation, par exemple par précipitation du produit en solution dans un solvant par contact avec un non-solvant .
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réaction de formation du matériau nanométrique est contrôlée par détermination de l'un au moins des paramètres de réglage suivants : concentration des partenaires réactionnels dans chaque liquide et viscosité de chacun des liquides de pulvérisation contenant les partenaires réactionnels ; composition et nature du solvant présent dans chacun des liquides pulvérisés ;
température des liquides pulvérisés ;
dimension, densité, vitesse et polydispersité des gouttelettes en fonction de la géométrie et de la nature des buses de pulvérisation ;
variation des angles au sommet des cônes de dispersions des jets de pulvérisation ;
distance entre les buses et la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide ;
inclinaison de ladite surface par rapport à l'axe principal des jets de pulvérisation ;
débit des jets de pulvérisation des différents 1iquides ;
nature, température, débit et/ou pression du gaz porteur utilisé pour les pulvérisations ;
nature du substrat.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface fonctionnelle sur laquelle se forme la zone de réaction liquide est réalisée en une matière non adhésive, telle que du PTFE ou du PE, mouillable ou non mouillable par le liquide du film ou les gouttelettes pulvérisées qui arrivent sur ladite surface, avantageusement la surface fonctionnelle sur laquelle se forme la zone de réaction liquide est de type anti-salissures, catalytique, et/ou peut être agitée par ultrasons .
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est conduit à l'atmosphère ambiante ou au sein d'un réacteur présentant une atmosphère gazeuse inerte ou au sein d'un réacteur présentant une atmosphère gazeuse oxydante, réductrice ou réactive .
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en plus de ladite pulvérisation simultanée, on procède à une pulvérisation complémentaire d'un gaz et/ou d'un solvant de dilution additionnelle, et/ou d'un autre liquide contenant d'autres produits tels que des tensio-actifs ou des catalyseurs.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on procède au soufflage d'un flux de gaz ou d'un liquide additionnel pour contrôler l'homogénéité et l'épaisseur du film constituant la zone de réaction liquide, pour améliorer le mélangeage et la qualité du film et pour diluer la zone réactionnelle .
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau nanométrique est récupéré par drainage à partir de la zone réactionnelle liquide, en particulier au travers de surfaces poreuses telles que des membranes ou par rotation de la zone réactionnelle liquide.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites buses sont disposées de manière que les jets de pulvérisation arrivent sur la surface sur laquelle se forme la zone réactionnelle liquide, selon une direction essentiellement orthogonale par rapport à cette dernière.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau nanométrique est récupéré sous la forme d'une solution, suspension ou émulsion de particules nanométriques , ou bien de dispersions complexes, agrégats ou matériaux composites, ou encore de nanoparticules multicomposites .
17. Réacteur pour la production de matériaux nanométriques conformément au procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que qu'il comprend au moins deux pulvérisateurs alimentés chacun par un liquide et dont les buses de pulvérisation convergent en direction d'une plaque interceptant les jets réactifs liquides pulvérisés, et en ce que la disposition des pulvérisateurs entre eux et par rapport à ladite plaque est telle que les jets de réactifs liquides pulvérisés se recouvrent totalement ou partiellement à la surface de ladite plaque pour former une zone réactionnelle liquide se présentant sous la forme d'un film homogène d'épaisseur contrôlée, préférentiellement à fonctionnement en continu.
18. Réacteur selon la revendications 17, caractérisé en ce qu'il contient en outre un pulvérisateur supplémentaire amenant un flux de gaz additionnel orienté vers ladite plaque de manière à contrôler l'homogénéité et l'épaisseur du film constituant la zone réactionnelle liquide, et/ou au voisinage immédiat de ladite plaque, des moyens de pulvérisation additionnels permettant de générer un soufflage dans les zones périphériques de la zone réactionnelle liquide afin d'éliminer les surépaisseurs de liquide à la périphérie de ladite plaque.
19. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce qu'il comporte en outre en amont des pulvérisateurs, des moyens permettant de faire varier la concentration en réactif des liquides à pulvériser de manière à contrôler le déroulement de la réaction de formation du matériau nanométrique .
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