stœchiométrique et l’hydroxyapatite dopée au
A. V.3 Etude morphologique – Microscope électronique à transmission V.3.1 Techniques de caractérisation
La microscopie électronique en transmission est proche dans son principe de la microscopie
optique. Cependant la longueur d’onde associée au faisceau d’électrons étant beaucoup plus faible que celle d’un faisceau de lumière, la résolution en microscopie électronique s’en trouve nettement
améliorée.
La texture et la nature chimique des éléments qui composent les poudres sont mises en évidence par microscopie électronique en transmission (MET) grâce à un microscope Tecnai G2 Series (FEI Company). Les poudres sont au préalable mises en suspension dans l’éthanol et passées
15 min aux ultrasons afin de casser d’éventuels agglomérats et avoir une suspension dispersée et bien transparente. La suspension est ensuite déposée sur une grille de cuivre recouverte d’une membrane de carbone. Le microscope est de plus, équipé d’un spectromètre à dispersion d’énergie
(EDS pour Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) permettant de réaliser une analyse chimique des échantillons observés.
A.V.3.2. Résultats
La Figure II.7. présente des clichés de la microscopie électronique à transmission « TEM », qui permettent de visualiser les caractéristiques morphologiques des nano-poudres d'hydroxyapatite calcinées. Les particules calcinées n-HA-CTAB (Figure II.7. (a)) sont composées de petits cristaux
sous forme d’aiguilles d’environ 15 nm de diamètre et 75 de longueur, correspondant à un rapport
d'aspect (c.à.d. la longueur / le diamètre) d'environ 4,8. Les particules de n-hydroxyapatite-SDS sont beaucoup plus minces (Figure II.7. (b)) avec un diamètre moyen et une longueur d'environ 11 nm et 137 nm, respectivement, et un rapport d'aspect d'environ 12,4.
La morphologie des particules, formées en présence de Triton X-100 (Figure II.7. (c)), varient entre la forme sphérique ayant des dimensions dans la gamme de 19 - 30 nm et la forme aiguille avec des longueurs et des largeurs de 79 nm et 21 nm, respectivement. Le rapport d'aspect est d'environ 4,4 pour les particules en forme d'aiguille. Ce mélange de morphologie moins distinctif peut être attribué au fait que le tensioactif non ionique est moins sujet à former une structure ordonnée en solution dans une matrice avec des particules inorganiques synthétisées. Ces
résultats sont en parfaite cohérence avec ceux obtenus à partir de l’analyse des diffractogrammes de la DRX. L m D m L /D D 002 D 300 0 20 40 60 80 100 120 140
F
ra
ct
io
n
(
n
m
)
n -H A p C T A B n -H A p S D S n -H A p T rito n X -1 0 0 T E M X R DFigure II. 6. Diagramme à barres des distributions des tailles obtenues à partir de la DRX et le MET. Pour chaque
échantillon, plus de 20 particules ont été comptées. Lm est la longueur moyenne. Dm est le diamètre moyen.
Les analyses EDS réalisées sur un même granulé mettent en évidence la présence de tous les éléments constitutifs du mélange initial quelles que soient les zones analysées. Sur la Figure II.6. , il peut être observé qu'il y a une bonne homogénéité de composition à l'intérieur d'un même granulé calciné. La distribution correspondante à la taille des cristallites, est également présentée dans la Figure II.6. Dans les mesures à partir des clichés de TEM (en utilisant le logiciel "Image J") plus de 20 particules ont été choisies au hasard dans les différents domaines dans chaque échantillon des poudres étudiées. Deux caractéristiques principales découlent de cette Figure:
la distribution de la taille à partir des spectres de la DRX déterminés selon les
directions (002) et (300) sont très différentes ; ce qui représente la nature anisotrope des particules observées par MET;
il y a un excellent accord qualitatif entre les distributions déterminées par DRX et
MET.
Les différences quantitatives entre les rayons X et les données du MET sont probablement dues, en raison du fait, que les particules ne sont pas monocristallines, mais résultent de la coalescence d'une partie des noyaux de croissance. Alors que pour les images du MET, la taille des entités polycristallines qui sont considérées. La DRX est capable de discriminer les caractéristiques des cristallites c.-à-d. des composants individuels.
(a)
(b)
(c)
Figure II. 7. Images obtenues par MET et EDS des nano-poudres d’HA préparées en présence des différents
tensioactifs: (a) CTAB, (b) SDS, (c) Triton X-100 A.VI. Discussion
Amphiphiles par nature, les tensioactifs possèdent, une partie hydrophile, et une partie hydrophobe. L’existence de cette différence d’affinité au sein d’une même molécule est à l’origine
de leurs propriétés d’auto-organisation dans l’eau. Ces dernières peuvent conduire à des aggrégats
de tailles et de morphologies très différentes, ainsi que conférer à ces molécules la capacité de
s’adsorber aux interfaces, en induisant une diminution de la tension superficielle de l’eau ce qui leur
a valu le nom de « tensioactifs ». Ils se composent généralement d'une tête polaire hydrophile avec une forte affinité pour l'eau et une queue hydrophobe avec un comportement totalement opposé, vers l'eau, comme schématisé sur la Figure II.8. (a). Leur première propriété est la capacité de bâtir un pont entre deux phases non miscibles. Par exemple, dans une solution aqueuse, les tensioactifs ont tendance à migrer vers les interfaces, en particulier l'interface air-liquide, la Figure II.8. (b). [31]. En conséquence, la tension interfaciale diminue, et la surface interfaciale augmente facilement grâce à la formation de bulles d'air, ce qui justifie leur utilisation comme détergents, agents moussants et des additifs de flottation pour la séparation des minéraux.
En solution à faible concentration, un tensioactif est présent sous forme d’espèces séparées. Au-delà d'une concentration critique, les molécules des monomères individualisées s'auto-
organisent pour former des aggrégats moléculaires appelés « micelles », mesurant entre 1 nanomètre (nm) et 1 micromètre (µm), afin de minimiser le contact entre les parties hydrophobes des molécules des surfactant et les molécules d'eau (Figure II.8. (c)). La concentration à partir de laquelle les monomères commencent à former ces aggrégats est définie comme la concentration micellaire critique (CMC). Les micelles sont dites "directes" dans l'eau où l’auto-assemblage de tensioactifs se constitue avec les têtes polaires orientées vers l'extérieur et les chaînes hydrophobes
demeurent au cœur de la micelle. Inversement, dans un milieu organique, des assemblages de
micelles dites "inverses", sont formées avec la tête polaire hydrophile à l'intérieur de la micelle et les chaînes hydrocarbonées forment une couche extérieure hydrophobe en contact avec le milieu organique.
Figure II.8. Représentation schématique d’un tensioactif (a), son comportement en solution aqueuse (b) afin de
minimiser la tension interfaciale, et l’auto-assemblage après avoir atteint
la concentration micellaire critique (CMC) (c)1.
Généralement, la classification des tensioactifs est basée sur la nature de la tête hydrophile. C’est le classement le plus utilisé couramment, qui comprends quatre grands groupes selon la nature de leur tête hydrophile, on y distingue :
Les tensioactifs anioniques : sont les premiers à avoir été synthétisés et les plus
utilisés dans le monde. Ce sont des molécules qui portent une charge négative sur le groupe hydrophile, tels que le groupement carboxyle (RCOO-) ou sulfate (ROSO3-),
associés à des cations (généralement un métal alcalin M+). Ils constituent de très bons agents moussants et détergents. De très nombreux savons sont des dérivés anioniques, les exemples les plus répandus étant les carboxylates dérivant de
produits naturels comme la noix de coco, l’huile de palme ou d’amande.
1
Les tensioactifs cationiques : ce sont des molécules qui donnent des cations organiques dans l’eau, le plus souvent des sels d'ammonium quaternaire (R4N+X-)
ou des sels d'amine;
Les tensioactifs amphotères ou zwitterioniques: possédant sur la partie hydrophile à
la fois une charge positive et négative. Ce type de tensioactifs peut alors aisément devenir cationique ou anionique selon le pH de la solution dans laquelle ils sont solubilisés.
Les tensioactifs non-ioniques: où le groupe hydrophile n'a pas de charge électrique
nette. C'est le cas des produits de synthèse tels que les bétaïnes, les sulfobétaïnes et les substances naturelles telles que les acides aminés et les phospholipides. Ce type
de tensioactif ne donne pas d’ions dans l’eau, leur solubilité est due à la présence de
groupements polaires.
Pour la présente étude, les agents de surface choisis sont les suivants: le bromure de cétyltriméthyl ammonium (CTAB), le dodécylsulfate de sodium (SDS), et le Triton X-100 comme un tensioactif cationique, anionique et non ionique, respectivement. Leurs structures sont schématisées dans la Figure II.9.
Figure II. 9. Structure des tensioactifs: (a) Cationique (CTAB), (b) Anionique (SDS), (c) Non-ionique (Triton X-100)1.
Les tensioactifs ont été largement utilisés comme additifs pour façonner le procédé de la cristallisation, mais leurs mécanismes d'action sont encore mal compris [32], [33]. La présence de tensioactif tend à exercer une action inhibitrice sur l'ensemble du processus de la cristallisation, avec des effets spécifiques en fonction du type et de la concentration du tensioactif mise en solution. Sous les conditions opératoires, associant les valeurs du pH et la température de synthèse, considérées dans le présent travail, les molécules du CTAB se dissocient complètement dans la solution aqueuse, formant des espèces cationiques sous la forme CTAB+.
Au-dessus de la CMC, ces espèces ont tendance à s'auto-assembler sous forme des micelles directes cylindriques exposant les charges positives en contact avec les molécules d'eau, comme
O S O- O O N+ Br- Na+ O O H n (a) (b) (c)
schématisé sur la Figure II.10. (a). Par conséquent, lorsque la solution de PO43-est mélangée avec la
solution CTAB, les ions de PO43- sont facilement attirés vers les têtes ionisés formant des
complexes de CTAB+ / PO43- (qui peut être mono-, bi- ou poly-denté) sur la surface des micelles
cylindriques, et diminuant ainsi la charge totale et la liberté des ions PO43-(Figure II.10. (b)). Après
l'ajout ultérieur de la solution contenant des ions Ca2+, des pôles de Ca9(PO4)6 sont probablement
formés, entraînés par les interactions électrostatiques, conduisant, ainsi, à la nucléation et la
croissance des cristaux de l’hydroxyapatite sous forme de tige, (Figure II.10. (c)). La formation de
complexes ioniques des tensioactifs signifie que l'efficacité des collisions entre les ions formant
l’hydroxyapatite diminuent significativement ; ce qui explique leur action inhibitrice sur le
processus globale de la cristallisation [32], [33].
La formation de micelles sous une configuration cylindrique est donc attendue à exacerber la
tendance bien connue pour les particules nanocristallines d’HA à croitre tout au long de l’axe c,
[34], donnant relance à la formation de nanotiges d’HA [35]. La formation de complexes à partir des tensioactifs ioniques ainsi la pertinente diminution des collisions favorise la formation d'hydroxyapatite ; ce qui signifie que les ions sont additionnés lentement à la surface des
nanoparticules d’hydroxyapatite, mais d'une manière plus ordonnée, résultant à des poudres
cristallines (Figure II.3). L'addition de ces ions à la surface des cristaux d’hydroxyapatite est favorisée par les conditions du traitement hydrothermal telles que la haute température et la pression. Les complexes formés de n-HA-CTAB pourraient fusionner et contribuer par la suite à un contrôle simultané de la taille et la morphologie des nanoparticules obtenues, en considération de leur nature polycristalline. [24], [33]. Cette coalescence pourrait expliquer les différences quantitatives observées dans la Figure II. 6. entre la distribution de la taille déterminée à partir du DRX et le MET.
Un raisonnement similaire peut être soutenu pour interpréter la croissance anisométrique des nanoparticules HA en présence des autres tensioactifs anioniques et non-ioniques. La seule différence attendue lorsqu'on utilise le SDS est la formation au début des complexes de Ca2+/SDS- qui précède la formation des pôles de Ca9(PO4)6lors du mélange des deux solutions des précurseurs
d’hydroxyapatite. Il est probable que les interactions spécifiques entre les molécules des tensioactifs
et les différentes surfaces cristallines, qui peuvent différer, en particulier, sur le plan basal (perpendiculaire à l'axe c) et le plan latéral (parallèle à l'axe c) ; ce qui contribue également à des degrés divers à la croissance anisométrique des particules de n-HA [34]. Ces effets, liés à l'adsorption des molécules des tensioactifs sur les faces cristallines, sont entraînés thermodynamiquement et régissent grandement la cristallisation et la croissance des cristaux [35].
Figure II. 10. Schéma représentant le processus de la formation des nanotiges de l’HA en présence du CTAB1.
La structure moléculaire du Triton X-100 (Figure II.9. (c)) se compose d'une tête hydrophile avec un groupe en oxyde de polyéthylène et une queue lipophile hydrocarbonée. Étant un tensioactif non ionique, la possibilité des interactions électrostatiques peut être éliminée. Au-dessus de la CMC, il forme un mélange isotrope colloïdal, constitué d’une alliance des micelles sphériques et micelles cylindriques et hexagonales, avec le groupe d’oxyde du polyéthylène situé à l’extérieur
et la queue hydrophobe est entravée au cœur des micelles [36], Dans une étude similaire, Lee et al.
[37], ont suggéré que le groupe d’oxyde du polyéthylène pourrait assurer la coordination avec des ions Ca2+par le biais des liaisons hydrogènes, formant des complexes de calcium qui interviennent dans la réaction, après l’ajout de la solution du PO43-. En conclusion, ces interactions moléculaires
ont une influence directe sur les deux phénomènes complémentaires de la nucléation et la croissance des particules synthétisées, lors du mélange des deux solutions des précurseurs de calcium et du phosphore, par une évidente adsorption sur le squelette des micelles résultantes du triton X-100. Ces arguments théoriques sont en total accord avec nos observations expérimentales,
le MET révèle une morphologie mixte entre des particules d’HA sphériques et bâtonnets [36].
En ce qui concerne la taille des nanoparticules produites, il est remarquable que ce facteur soit fortement dépendant du tensioactif utilisé dans l'expérience. Chaque tensioactif est caractérisé par sa concentration micellaire critique (CMC) au-dessus de laquelle les monomères dissous s’auto- assemblent pour former des micelles [31], [38]. La structure de ces micelles est supposée être un
agrégat d’environ 50 à 100 molécules ayant un rayon approximativement égal à la longueur de la
chaîne hydrocarbonée du tensioactif. Ainsi, pour les tensioactifs ioniques, la taille moyenne des micelles du CTAB, devrait être plus grande que celle de micelles formées à partir du SDS. En outre,
la concentration micellaire critique diminue notablement au fur et à mesure de l’allongement de la
chaîne hydrocarbonée. Ces différentes caractéristiques expliquent pourquoi des nanoparticules avec des diamètres réduits ont été obtenues en présence du SDS. Dans le cas de l'agent tensioactif non ionique (Triton X-100), sa faible solubilité par rapport à celle des tensioactifs ioniques, résulte
d’une diminution de la CMC (Tableau. II. 3).
Tableau II. 3. Valeurs typiques des CMC des différents tensioactifs utilisés et la taille des cristallites des nanoparticules
d’HA en produites respectivement.
Tensioactifs CTAB SDS Triton X-100
CMC (mM) 0,92 – 1,0 8,5 0,55
Longueur des n-HA synthètisés (nm) 75 137 79
Diamètre des n-HA synthètisés (nm) 15 11 21
Longueur du tensioactif (Å)a 22,2 18,4 59,9
La forme et la structure des micelles résultantes ne sont pas tout à fait définies et leur taille moyenne augmente. En addition, l'espace entre les micelles augmente également ; ce qui induit un encombrement stérique qui contribue en outre à augmenter la taille des particules produites (Figure II.11). [38].
Les interactions fortes entre les tensioactifs ioniques et les ions impliqués dans la formation
de l’HA, par rapport à ceux mises en évidence dans le cas des tensioactifs non ioniques, signifient
que les ions Ca2+ et PO43- sont susceptibles de former des complexes mono-à multicouches. Cet
effet puissant de la séquestration exercé par les tensioactifs ioniques, pourrait nuire à la libération immédiate des molécules du tensioactif après une collision efficace entre les deux ions formant
l’HA. Par conséquent, les espèces adsorbées des tensioactifs perturbent l'arrangement atomique lors
de la croissance des cristaux apatitiques. En conséquence, une structure moins ordonnée est formée en présence des agents tensioactifs ioniques. Bien que les tensioactifs adsorbés seront thermiquement dégradés lors de la calcination, justifiant l’absence d’aucune trace des fonctions du
tensioactifs n’a été détectée sur les clichés de la spectroscopie infrarouge des échantillons soumis à
b
a
c
Figure II.11. Schéma présentatif d’une coupe transversale des micelles cylidriques: (a) CTAB,
(b) SDS, (c) Triton X-1001.
Il est probable que ce désordre de l'arrangement atomique est répercuté sur le degré de cristallinité des nanopoudres obtenues après avoir été calcinées à cette température modérée. Ceci
explique l’origine de la netteté des pics observés lors de l’analyse en DRX des nanoparticules
produites avec le CTAB (Figure II.3.(a)) et des nanopoudres synthétisées en présence du SDS (Figure II.3.(b)), est inférieure par rapport à celles façonnées avec le tensioactif non-ionique le Triton X-100 (Figure II.3(c)).