pu Guillaume Baffou - homepage
Guillaume BAFFOU - Institut Fresnel - Marseille

Thématiques

mots-clés: nanoplasmonique, nanoparticules d'or, effets thermiques, microscopies optiques et thermiques

Nos activités de recherches se placent à la frontière entre nano-optique et thermodynamique. Nous étudions des effets thermo-induits aux petites échelles en utilisant des nanoparticules d'or sous illumination comme nano-sources de chaleur [1].

I - Travaux expérimentaux

L'une de nos contributions majeures à ce champ de recherche (appelé thermoplasmonique) a été l'invention d'une technique de microscopie thermique (nommée TIQSI) capable de cartographier la température et la densité de source de chaleur d'un système de nanoparticules métalliques sous illumination [2]. Notre technique permet également la mesure quantitative de sections efficaces d'absorption de n'importe quel nano-objet [3], et la cartographie de température en trois dimensions [4]. Cette technique d'imagerie label-free atteint une résolution spatiale de 500 nm (limitée par la diffraction) et une acquisition d'une image par second environ.

Tout domaine de la science connait des phénomènes induits par la température (la thermodynamique, la chimie, la dynamique des fluides, la physique des transitions de phase, la biologie cellulaire, ...). Pour cette raison, les champs d'applications de notre approche sont multiples et n'ont pour seule limite que l'imagination.

Jusqu'à présent, nous avons pu aborder des problèmes en physique, chimie et biologie cellulaire aux petites échelles.

1- physique
  • Nous avons étudié la physique de la génération de chaleur dans des systèmes plasmoniques complexes, tels que des réseaux de nanofils (collaboration avec David McCloskey, CRANN, Dublin) [5] ou des dimères plasmoniques [6].
  • Nous avons développé une procédure expérimentale pour générer des profils 2D de température arbitraires à l'échelle microscopique (uniforme, linéaire, parabolique, asymétriques, etc). La méthode est basée sur le calcul inverse d'une distribution de nanoparticules d'or non-uniforme qui peut être fabriquée par lithographie électronique [7].
  • Nous avons éclairci la physique de la dynamique de microbulles créées par illumination continue (cw) de nanoparticules d'or uniques. Nous avons élucidé l'origine de leur durée de vie prolongée et nous avons expliqué pourquoi l'ébullition en plasmonique s'opère toujours aux alentours de 200°C, et non pas à 100°C [8].
2- chimie
  • Grâce à la possibilité d'obtenir facilement de l'eau liquide à 200°C en plasmonique, nous avons proposé une nouvelle voie de synthèse hydrothermale à pression ambiante pour la chimie, qui se passe de l'utilisation d'un caisson pressurisé (autoclave) [9].
  • Nous avons publié un article de revue décrivant les différentes applications de la plasmonique pour le chimie [10].
3- Biologie cellulaire
  • En collaboration avec Romain Quidant (ICFO, Barcelone), nous avons développé une technique de microscopie thermique capable d'imager la température dans des cellules vivantes en culture. Cette technique optique est basée sur une mesure confocale d'anisotropie de polarisation de fluorescence, et sur l'utilisation de protéines fluorescentes (GFP) [11].
  • D'après une idée originale de Julien Polleux (Martinsried, Germany), nous avons participé à l'étude de la migration cellulaire sur tapis de nanoparticules d'or contrôlée par chauffage local [12].
  • Nous avons publié deux commentaires dans Nature Methods relatifs à l'état de l'art de la microscopie thermique sur cellules vivantes en culture. Nous avons soulevé un problème manifeste qui remet en cause la validité de la plupart des résultats dans ce domaine [13,14].

II - Théorie / simulations numériques

  • Nous avons étudié la génération de chaleur dans des systèmes plasmoniques complexes [15,16].
  • Nous avons étudié la physique du chauffage de nanoparticules sous illumination impulsionnelle [17] et modulée [18].
  • Nous avons développé de nouvelles méthodes numériques (i) pour calculer des distributions de température en plasmonique par une méthode basée sur l'utilisation de fonctions de Green (DDA) [19] (ii) et pour calculer l'évolution spatiotemporelle autour de nanoparticules sous illumination femtosconde [17].
  • Nous avons étudié la physique de la convection de fluide aux petites échelles autour de nanoparticules d'or sous illumination [20].
  • Nous avons étudié en détail la dépendance de la fluence seuil pour la formation de bulles autour de nanoparticules d'or sous illumination impulsionnelle [21].
  • Nous avons détaillé la physique des effets collectifs thermiques en plasmonique, un problème récurrent dans le domaine [22].
  • Nous avons introduit deux nouveaux nombres sans dimensions quantifiant l'efficacité de matériaux en plasmonique, l'un pour quantifier l'exaltation de champ proche, l'autre pour quantifier la génération de chaleur de nanoparticules [23].

[1] Thermo-plasmonics: using metallic nanostructures as nano-sources of heat
G. Baffou*, R. Quidant*
Laser and Photonics Reviews 7, 171-187 (2013)

[2] Thermal Imaging of Nanostructures by Quantitative Optical Phase Analysis
G. Baffou*, P. Bon, J. Savatier, J. Polleux, M. Zhu, M. Merlin, H. Rigneault and S. Monneret
ACS Nano 6, 2452-2458 (2012)

[3] Quantitative absorption spectroscopy of nano-objects
P. Berto*, E. Bermúdes Ureña, P. Bon, R. Quidant, H. Rigneault, G. Baffou*
Physical Review B 86, 165417 (2012)

[4] Three-dimensional temperature imaging around a gold microwire
P. Bon, N. Belaid, D. Lagrange, H. Rigneault, S. Monneret, G. Baffou*
Applied Physics Letters 102, 244103 (2013)

[5] Quantitative study of the photothermal properties of metallic nanowire networks
A. P. Bell, J. A. Fairfield, E. K. McCarthy, S. Mills, J. J. Boland, G. Baffou, D. McCloskey*
ACS Nano 9, 5551-5558 (2015)

[6] Mapping heat origin in plasmonic structures
G. Baffou*, C. Girard, R. Quidant*
Physical Review Letters 104, 136805 (2010)

[7] Deterministic Temperature Shaping using Plasmonic Nanoparticle Assemblies
G. Baffou*, E. Bermúdez Ureña, P. Berto, S. Monneret, R. Quidant and H. Rigneault
Nanoscale 6, 8984 - 8989 (2014)

[8] Super-Heating and Micro-Bubble Generation around Plasmonic Nanoparticles
under cw Illumination

G. Baffou*, J. Polleux, H. Rigneault, S. Monneret
Journal Physical Chemisty C 118, 4890 (2014)

[9] Light-Assisted Solvothermal Chemistry Using Plasmonic Nanoparticles
H. Robert*, F. Kundrat, E. Bermudez-Urena, H. Rigneault, S. Monneret, R. Quidant, J. Polleux, G. Baffou*
ACS Omega, accepted (2016)

[10] Nanoplasmonics for Chemistry
G. Baffou and R. Quidant*
Chemical Society Reviews 43, 3898-3907 (2014)

[11] Mapping intracellular temperature using Green Fluorescent Protein
J. Donner, S. Thompson, M. Kreuzer, G. Baffou, R. Quidant*
Nanoletters 12, 2107-2111 (2012)

[12] Micropatterning Thermoplasmonic Gold Nanoarrays to Manipulate Cell Adhesion
M. Zhu, G. Baffou, N. Meyerbröker, and J. Polleux*
ACS Nano 6, 7227-7233 (2012)

[13] A critique of methods for temperature imaging in single cells
G. Baffou*, H. Rigneault, D. Marguet, L. Jullien
Nature Methods 11, 899-901 (2014)

[14] Reply to: "Validating subcellular thermal changes revealed by fluorescent thermosensors" and "The 10^5 gap issue between calculation and measurement in single-cell thermometry"
G. Baffou*, H. Rigneault, D. Marguet, L. Jullien
Nature Methods 12, 803 (2015)

[15] Nanoscale control of optical heating in complex plasmonic systems
G. Baffou, R. Quidant, F. J. García de Abajo*
ACS Nano 4, 709 (2010)

[16] Heat generation in plasmonic nanostructures: Influence of morphology
G. Baffou*, R. Quidant, C. Girard
Applied Physics Letters 94, 153109 (2009)

[17] Femtosecond-pulsed optical heating of gold nanoparticles
G. Baffou*, H. Rigneault
Physical Review B 84, 035415 (2011)

[18] Time-harmonic optical heating of plasmonic nanoparticles
P. Berto, M. S. A. Mohamed, H. Rigneault, G. Baffou*
Physical Review B 90, 035439 (2014)

[19] Thermoplasmonics modeling: A Green function approach
G. Baffou*, R. Quidant, C. Girard
Physical Review B 82, 165424 (2010)

[20] Plasmon-assisted optofluidics
J. S. Donner, G. Baffou*, D. McCloskey, R. Quidant*
ACS Nano 5, 5457 (2011)

[21] Fluence Threshold for Photothermal Bubble Generation Using Plasmonic Nanoparticles
K. Metwally, S. Mensah, G. Baffou*
Journal of Physical Chemistry C 119, 28586-28596 (2015)

[22] Photo-induced heating of nanoparticle arrays
G. Baffou*, P. Berto, E. Bermúdez Urena, R. Quidant, S. Monneret, J. Polleux, H. Rigneault
ACS Nano 7, 6478-6488 (2013)

[23] Quantifying the Efficiency of Plasmonic Materials for Near-Field Enhancement and Photothermal Conversion
A. Lalisse, G. Tessier, J. Plain, G. Baffou*
Journal of Physical Chemistry C 119, 25518-25528 (2015)

Techniques expérimentales

  • Microscopie confocale
  • Imagerie d'anisotropie de fluorescence
  • Imagerie de phase optique
  • Microscopie de température
  • Spectroscopie de nano-objets uniques
  • microscopie électronique
  • Lithographie par faiseau d'ions focalisés
  • Culture cellulaire

Techniques numériques

  • Discrete dipole approximation (DDA)
  • Green dyadic tensor techniques (GDT)
  • Boundary element method (BEM)

Galerie d'images

                      
last update : Jul 29th 2015