Détection de molécules d’acides aminés par des nanotubes de carbone chiraux Delphine Vardanega To cite this version: Delphine Vardanega. Détection de molécules d’acides aminés par des nanotubes de carbone chi- raux. Biochimie, Biologie Moléculaire. Université de Franche-Comté, 2012. Français. ￿NNT: 2012BESA2012￿. ￿tel-00912684￿ HAL Id: tel-00912684 https://theses.hal.science/tel-00912684 Submitted on 2 Dec 2013 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. École Doctorale Carnot – Pasteur Th`ese de Doctorat Sp´ecialit´e Physique pr´esent´ee par Delphine VARDANEGA D´etection de mol´ecules d’acides amin´es par des nanotubes de carbone chiraux Th`ese dirig´ee par Claude Girardet et Fabien Picaud soutenue le 18 septembre 2012 Jury : Christian MINOT Professeur - Universit´e Pierre et Marie Curie - Paris Pr´esident du Jury Lucyna FIRLEJ Professeur - Universit´e Montpellier 2 - Montpellier Rapporteur Edward McRAE Directeur de recherche CNRS Rapporteur - Universit´e Henri Poincar´e - Vandœuvre-l`es-Nancy Tijani GHARBI Professeur - Universit´e de Franche-Comt´e - Besan¸con Examinateur Fabien PICAUD HDR - Maˆıtre de Conf´erences Examinateur - Universit´e de Franche-Comt´e - Besan¸con Claude GIRARDET Professeur - Universit´e de Franche-Comt´e - Besanc¸on Examinateur Remerciements Le travail pr´esent´e ici a ´et´e effectu´e au laboratoire de physique mol´eculaire de Besan- ¸con puis au laboratoire de nanom´edecine, imagerie et th´erapeutique dirig´es respectivement par Monsieur le Professeur Girardet et Monsieur le Professeur Gharbi. Tout d’abord je voudrais exprimer ma plus profonde reconnaissance `a mes deux di- recteurs de th`ese le Professeur Claude Girardet et Fabien Picaud, qui ont bien voulu m’accorder leur confiance. Je les remercie plus particuli`erement pour leur disponibilit´e, leur confiance et surtout leur rigueur scientifique. J’ai beaucoup appris `a leurs coˆt´es. Je tiens `a exprimer mes remerciements aux membres du jury, qui ont accept´e d’´evaluer mon travail de th`ese. Merci `a Monsieur le Professeur Minot de m’avoir fait l’honneur de pr´esider mon jury, `a Madame la Professeur Firlej et Monsieur le Directeur de Recherche CNRS McRae d’avoir accept´e d’ˆetre les rapporteurs de ce manuscrit et `a Monsieur le Professeur Gharbi d’avoir accept´e d’examiner mon m´emoire. Leurs diff´erentes remarques ont permis d’en am´eliorer la qualit´e. Un grand merci `a tous les enseignants chercheurs, et en particulier `a Messieurs les Professeurs Baud et Gharbi, avec qui j’ai d´ebut´e ma carri`ere d’enseignant au cours de mon monitorat. Mes remerciements vont ensuite aux membres du laboratoire et en particulier `a Mon- sieur le Professeur Ramseyer et Monsieur Kraszewski pour diff´erentes discussions sur ce travail. Je n’oublierai pas tous ceux qui ont contribu´e `a faire de cette th`ese une exp´erience agr´eable et inoubliable, en particulier mes amis th´esards, avec lesquels nous avons pass´e tellement de bons moments ensemble : Caroline, Gyorgy et Ulysse pour nos diverses sorties franc-comtoises, soir´ees cin´ema, crˆepes, morbiflette, Aur´elie pour nos longues discussions et Guilaine pour son soutien. Je voudrais remercier mes parents qui m’ont toujours encourag´e et soutenu morale- ment (et financi`erement...) tout au long de ces longues ´etudes, mes sœurs, Emilie et Julie, mes grands-parents et tous les membres de ma famille, qui se sont int´eress´es `a l’avanc´ee de mes travaux. Un souvenir ´emu va ´egalement `a la personne qui m’a le plus manqu´ee en cette fin de th`ese, ma grand-m`ere : je sais qu’elle aurait ´et´e tellement fi`ere de moi. Merci aussi `a ma belle-famille pour leur gentillesse et leur int´erˆet. Enfin, je voudrais tout particuli`erement remercier S´ebastien pour ses encouragements, son soutien inconditionnel, sa patience et tant d’autres choses encore... Et finalement, Flavian et Batiste venus animer la fin de ce doctorat. Je profite donc de ces derni`eres lignes pour leur d´edier ce manuscrit. ”Si vous ne pouvez expliquer un concept `a un enfant de six ans, c’est que vous ne le comprenez pas compl`etement.” ”Si les faits ne correspondent pas `a la th´eorie, changez les faits.” Albert Einstein I Table des mati`eres Liste des symboles V 1 Introduction 1 2 G´en´eralit´es 9 2.1 La chiralit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 G´en´eralit´es sur les nanotubes de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 Capteur ´electromagn´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3 Capteur lin´eaire 19 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Le mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.1 Les acides amin´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 ´ 3.2.2 Energie d’interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2.3 R´eponse di´electrique du capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3 R´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.1 Adsorption des acides amin´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 ´ 3.3.2 Energie d’adsorption des acides amin´es . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3 Modification de la fr´equence de r´esonance du capteur lors de l’ad- sorption des acides amin´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3.4 Enantioselectivit´e en ´energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.5 Discrimination chirale en fr´equence de r´esonance . . . . . . . . . . . 43 3.3.6 Adsorption de plusieurs acides amin´es `a la surface du nanotube de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.3.7 D´etection de mol´ecules `a l’int´erieur ou `a l’ext´erieur d’un nanotube . 50 II Table des matie`res 3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Towards selective detection of chiral molecules using SWNT sensors . . . . . . . 55 Selective detection of chiral molecules by chiral single walled nanotubes . . . . . 61 Chiral response of single walled carbon nanotube based sensors to adsorption of amino acids : a theoretical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Detection of amino acids encapsulation and adsorption with dielectric carbon nanotube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4 Capteur non lin´eaire 85 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.2 Description du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2.1 Le mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2.2 Propri´et´es di´electriques du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3 R´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.3.1 Pr´eparation des capteurs fonctionnalis´es . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.3.2 Adsorption de l’alanine sur les capteurs fonctionnalis´es . . . . . . . 97 4.3.3 Discrimination chirale en fr´equence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.3.4 Fonctionnalisation des nanotubes par une h´elice d’alanine . . . . . . 109 4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Nonlinear polarization effects in superchiral nanotube sensors of amino acids . . 113 Enantioselectivity of amino acids using chiral sensors based on nanotubes . . . . 119 5 Interactions chirales dans les DWNTs 131 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2 Description du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.2.1 Le mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.2.2 Construction des nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 ´ 5.3 Energie d’interaction moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3.1 Mod`ele discret. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3.2 Mod`ele continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5.3.3 Fr´equences de vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.4 R´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.4.1 Minimisation de l’´energie d’interaction . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Table des matie`res III 5.4.2 Influencedeladistanceinter-paroissurl’´energied’interactionmoyenne143 5.4.3 Influence des caract´eristiques g´eom´etriques du nanotube interne sur l’´energie d’interaction moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.4.4 Discrimination chirale en ´energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.4.5 Modes de vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Chiral interaction in double-wall carbon nanotubes : simple rules deduced from a large sampling of tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6 Conclusion g´en´erale et perspectives 173 6.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 6.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 7 Annexes 179 7.1 Calcul des dipoˆles et des tenseurs de polarisabilit´e . . . . . . . . . . . . . . 181 7.2 M´ethode d’optimisation : le gradient conjugu´e . . . . . . . . . . . . . . . . 199 7.3 Coefficients du dipoˆle effectif et des tenseurs effectifs de polarisabilit´e . . . 201 8 Bibliographie 203