Brad Friant : inverser le procédé de l’orpaillage pour traquer le mercure

Au Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2), Brad Friant, doctorant, mobilise un principe chimique connu depuis des siècles, mais dans une perspective inverse. Son idée est d’utiliser de l’or, sous forme de nanoparticules, pour capter le mercure dispersé dans les eaux naturelles. Cette approche ouvre la voie à des outils simples d’échantillonnage et, potentiellement, de dépollution.

Ce principe est celui qui fonde l’orpaillage artisanal : le mercure possède une forte affinité pour l’or, avec lequel il forme spontanément un amalgame métallique. Les orpailleurs ajoutent du mercure au mélange de matériaux extrait du lit des rivières, où se trouvent les fines paillettes d’or. Ces paillettes s’y fixent et forment un amalgame facile à récupérer. Ce procédé, encore utilisé dans certaines régions du monde, constitue l’une des principales sources de pollution au mercure, et serait responsable de 35 à 40 % des émissions anthropiques mondiales de mercure.

Parcours de formation et projets étudiants

Originaire de Nouvelle-Calédonie, Brad Friant y a grandi et suivi une licence en physique-chimie avant de quitter l’île à 21 ans. L’offre limitée de programmes de maîtrise sur place le conduit à traverser les océans pour rejoindre la France, où il complète un master en chimie et sciences des matériaux à Toulon, sur les rives de la mer Méditerranée.

Son premier stage de master porte sur la synthèse de matériaux piézoélectriques par chimie verte, un processus au sein duquel des extraits de plantes locales se substituent aux précurseurs chimiques conventionnels.

Pour son second stage, il répond à une offre publiée par le LN2 et fait la rencontre de Rémi Dreyfus, directeur de recherche au CNRS et professeur associé au departement de chimie de l’UdeS, qui deviendra son directeur de thèse. L’affinité scientifique s’établit rapidement autour d’une curiosité commune pour la conception raisonnée de matériaux fonctionnels. Le stage, qui porte sur le développement de nanoparticules pour le suivi du mercure dans les eaux naturelles, débouche sur des résultats prometteurs et se prolonge naturellement en projet doctoral (2024–2027).

Lors de mon premier entretien avec mon maître de stage à l'époque et mon directeur de thèse maintenant, Rémi Dreyfus, on a tout de suite cliqué sur cette curiosité scientifique-là. […] C'était vraiment très naturel, ça s'est fait naturellement.

Brad Friant

Travaux de recherche, partenariats et apports

Le doctorat de Brad Friant s’inscrit dans un partenariat avec l'équipe dirigée par le Pr Julien Gigault, du laboratoire de recherche international (IRL) Takuvik à Québec (CNRS, Université Laval, Sorbonne Université). Cette équipe inclue un groupe d’océanographes et de chimistes de l’environnement qui travaillent sur le terrain.

Le mercure pose un problème particulier : il est présent en très faibles quantités dans les eaux naturelles. Sa concentration peut varier sur plusieurs ordres de grandeur, allant du picogramme par litre en océan ouvert à quelques microgrammes par litre dans certaines rivières. Il peut ensuite s’accumuler dans les organismes et se concentrer le long des chaînes alimentaires, jusqu’à atteindre des niveaux toxiques. Pour mesurer sa présence, les océanographes doivent aujourd’hui prélever des centaines de millilitres d’eau par point de mesure, les transporter en laboratoire, puis les concentrer avant de les analyser. Cette démarche est lourde, coûteuse, et elle expose les échantillons à un risque important de perte ou de contamination durant le stockage.

L’approche développée au LN2 consiste à capter directement le mercure sur place, plutôt qu’à rapporter d’importants volumes d’eau au laboratoire.  C’est là qu’interviennent les nanoparticules d’or. À l’échelle nanométrique, l’or conserve son affinité pour le mercure tout en offrant une surface de contact considérable pour son coût. Le défi : ces nanoparticules, très petites, sont difficiles à manipuler et à retenir sur un filtre.

La solution imaginée par l’équipe consiste à greffer les nanoparticules d’or à la surface de billes de silice micrométriques, mille fois plus grosses. La réactivité de l’or à l’échelle nanométrique est ainsi conservée, et cet objet portant les nanoparticule est suffisamment grand pour être facilement retenu par des membranes filtrantes commerciales. L’eau à analyser passe ainsi à travers le filtre, le mercure reste piégé sur les billes, et il ne reste plus qu’à ramener le filtre au laboratoire pour analyse.

Pour éviter que ça coûte une fortune, on utilise des nanoparticules d'or, sinon ça coûte très cher. Et des nanoparticules d'or, c'est tout petit, donc c'est difficile à manipuler. Notre idée, c'est d'utiliser des nanoparticules qu'on manipule comme des microparticules en faisant des auto-assemblages sur des billes micrométriques de silice.

Brad Friant

Les résultats publiés dans le Journal of Hazardous Materials Advances montrent que ces billes hybrides capturent le mercure trois à sept fois plus efficacement qu’un matériau équivalent thiolé, couramment utilisés dans la littérature. Testées sur une eau de mer de référence dont la concentration en mercure est certifiée, les billes permettent de retrouver précisément la valeur attendue.

Elles répondent aussi à un problème bien connu des océanographes : la volatilité du mercure élémentaire, qui se perd rapidement dans les contenants de stockage classiques. En effet, après 30 heures, seuls 22,5 % du mercure élémentaire subsistent dans un tube de polypropylène, contre 72,8 % lorsque les billes sont présentes.

Un second article en préparation porte sur les performances du dispositif de filtration lui-même, avec un taux de rétention de 85 à 95 % en un seul passage sur une large gamme de concentrations. Le coût de fabrication, estimé à environ 80 $·g⁻¹, et la compatibilité avec des membranes commerciales bon marché renforcent la pertinence pratique de l’approche. Au-delà de l’échantillonnage, ces travaux ouvrent également des perspectives vers la remédiation du mercure, notamment dans les régions où l’accès à une eau non contaminée constitue un enjeu de santé publique.

Le projet est soutenu par le LN2, le CNRS, le CRSNG, l’ANR (projet CHROMA, ANR-22-CE06-0027), le FRQ, ainsi que par la Fondation Prince Albert II de Monaco à travers le projet Nano-traces.

Pour aller plus loin — l’architecture Si@AuNP et ses trois mécanismes

Les colloïdes développés reposent sur une structure cœur-satellites : des billes de silice thiolées (Si–SH) d’environ 1 µm de diamètre, sur lesquelles sont greffées, par auto-assemblage, des nanoparticules d’or citratées d’environ 12,5 nm de diamètre, synthétisées par la méthode de Turkevich. Un polyéthylène glycol diamine (PEG-DA) est ajouté en fin de synthèse pour assurer la stabilité colloïdale par répulsion stérique et améliorer la densité de greffage des AuNP.

Trois mécanismes de capture agissent simultanément à la surface des colloïdes : 1. Amalgamation directe du Hg⁰ sur les nanoparticules d’or ; 2. Réduction in situ du Hg²⁺ en Hg⁰ par les groupements citrate résiduels adsorbés en surface, le Hg⁰ formé étant ensuite piégé par amalgamation ; 3. Complexation thiol–Hg²⁺ par les groupements — SH libres restant à la surface de la silice (environ 90 % des thiols initiaux n’étant pas occupés par les AuNP).

La contribution des thiols résiduels est estimée entre 15 % et 20 % de la capacité totale de capture du Hg²⁺, tandis que le plateau observé pour l’accumulation du Hg²⁺ (~3,33 µg pour 500 µg de Si@AuNP) coïncide avec la capacité de réduction calculée à partir de la teneur en citrate mesurée par ATG (0,59 % en masse). L’hypothèse du rôle réducteur du citrate a été confirmée par des essais à pH acide, où la protonation des groupements carboxyliques inhibe l’activité réductrice.

Expérience de recherche à Sherbrooke et perspectives

Brad Friant décrit le 3IT à l’Université de Sherbrooke comme un environnement où les échanges scientifiques se font naturellement, en continuité avec la curiosité qui l’a guidé depuis la licence. Il peut ainsi accéder aux équipements de microscopie électronique à balayage (SEM Scios 2) pour la caractérisation morphologique des colloïdes, et collaborer avec le département de chimie (Faculté des sciences) pour les analyses ICP-MS impliquant le mercure.

Sur le plan culturel, il évoque une proximité inattendue entre la mentalité québécoise et celle de la Nouvelle-Calédonie, marquée par une simplicité dans les échanges et une approche pragmatique des problèmes. Coureur de trail, nageur et joueur de tennis, il a repris ses activités sportives à Sherbrooke, notamment au Mont-Bellevue et à la piscine universitaire.

J'aimerais bien continuer dans un autre environnement, voir ce que ça donne, ce que je suis capable de faire, même dans d'autres domaines. Je pense que je suis assez curieux et je me laisse intéresser suffisamment facilement par un peu tout. […] Je me laisse plus porter par le projet que la destination.

Brad Friant

Pour la suite, Brad Friant envisage un postdoctorat, sans préférence géographique marquée, en se laissant guider par l’intérêt du projet plutôt que par la destination. La question d’un positionnement futur – académique ou industriel – reste ouverte. Une constante demeure : la volonté d’ancrer la chimie des nanomatériaux fonctionnels dans des applications qui répondent à des besoins concrets, en particulier environnementaux.