Synthèse par chimie verte, mécanismes de formation et optimisation des propriétés physiques des nanocristaux de niobate de lithium (linbo3) // synthesis by green chemistry, formation mechanisms and optimization of the physical properties of lithium niobat

Topic description

Le projet propose de développer une nouvelle génération de nanoparticules harmoniques (NPHs) à base de niobate de lithium (LiNbO₃). Celles-ci sont obtenues à l'aide d'un procédé respectueux de l'environnement (chimie verte) et pour des compositions chimiques métastables (hors équilibre thermodynamique) afin de répondre aux besoins croissants en imagerie biomédicale multiphotonique. Ces nanocristaux non‑centrosymétriques présentent des propriétés optiques non linéaires exceptionnelles en termes de stabilité à long terme et d'imagerie ultrarapide en profondeur. L'originalité majeure du projet repose sur notre maîtrise fine des mécanismes de nucléation et cristallisation (chimie de type sol‑gel en conditions solvothermales), permettant un contrôle sans précédent de la stœchiométrie, de la cristallinité et de la taille des particules. Une stratégie d'ingénierie des défauts intrinsèques dans LiNbO3 sera mise en œuvre pour optimiser la brillance des NPHs. Des résultats préliminaires montrent en effet que les compositions métastables riches en niobium conduisent à une augmentation d'un ordre de grandeur des propriétés optiques. Le projet vise également un changement d'échelle en termes de synthèse afin de produire des lots de 1 g, nécessaires aux expérimentations animales menées par nos partenaires (localisation in-vivo et ex-vivo de cellules souches à fort potentiel thérapeutique). Enfin, et d'un point de vue matériau, une voie de rupture sera aussi explorée, à savoir la cristallisation de la phase LiNbO3 à température ambiante (alternative bien moins énergivore que les procédés classiques). L'ensemble permettra de relier structure cristalline, défauts intrinsèques et performance des propriétés optiques dans un contexte d'imagerie biomédicale et de développement de nouveaux agents de contraste.
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The project aims to develop a new generation of harmonic nanoparticles (HNPs) based on lithium niobate (LiNbO₃). These nanoparticles are produced using an environmentally friendly synthesis route (green chemistry) and rely on metastable chemical compositions (out of thermodynamic equilibrium) to meet the growing needs of multiphoton biomedical imaging. These non‑centrosymmetric nanocrystals exhibit outstanding nonlinear optical properties, with exceptional long‑term stability and ultrafast deep‑tissue imaging capabilities.
The core originality of the project lies in our precise control of nucleation and crystallization mechanisms (sol‑gel chemistry under solvothermal conditions), enabling unprecedented control over particle stoichiometry, crystallinity, and size. A dedicated defect‑engineering strategy in LiNbO₃ will be implemented to optimize the HNP brightness. Preliminary results have indeed demonstrated that Nb‑rich metastable compositions lead to an order‑of‑magnitude enhancement of the optical properties.
The project also targets a synthesis scale‑up to produce 1‑g of powder per batch, which is required for the in‑vivo and ex‑vivo experiments conducted by our partners (tracking of highly therapeutic stem cells). Finally, from a material‑science perspective, a disruptive pathway will be explored: achieving LiNbO₃ crystallization at room temperature, a far less energy‑consuming alternative than conventional methods. Altogether, the project will establish a direct link between crystalline structure, intrinsic defects, and optical performance, in the context of biomedical imaging and the development of new contrast agents.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral