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Nanomatériaux, nanoparticules

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Terminologie et définitions

Les nanotechnologies reposent sur la connaissance et la maîtrise de l’infiniment petit. Elles regroupent l’ensemble des techniques qui permettent de fabriquer, de manipuler et de caractériser la matière à l’échelle nanométrique. Voici quelques clés pour comprendre le nanomonde.

Le nanomonde

L’unité de référence du nanomonde est le nanomètre (noté en abrégé nm). Le préfixe nano vient du grec nanos qui signifie nain. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre (1 nm = 10-9 m = 0,000000001 m) soit approximativement 1/50 000 de l'épaisseur d'un cheveu humain (figure 1 de la ED 6050).

Les nanotechnologies et les nanosciences

Les nanotechnologies constituent un champ de recherche et de développement multidisciplinaire qui reposent sur la connaissance et la maîtrise de l’infiniment petit. Elles regroupent, plus précisément, l’ensemble des techniques qui permettent de fabriquer, de manipuler et de caractériser la matière à l’échelle nanométrique.
Les nanotechnologies sont la formalisation des concepts et des procédés issus des nanosciences c’est à dire des sciences qui visent à étudier et à comprendre les propriétés de la matière à l’échelle de l’atome et de la molécule.

Les nanomatériaux

Il existe de nombreuses définitions du terme « nanomatériau ».

La Commission européenne a proposé en octobre 2011, dans le cadre d’une recommandation , une définition pour le terme « nanomatériau ». Un nanomatériau est un matériau naturel, formé accidentellement ou manufacturé contenant des particules libres, sous forme d’agrégat ou sous forme d’agglomérat, dont au moins 50 % des particules, dans la répartition numérique par taille, présentent une ou plusieurs dimensions externes se situant entre 1 nm et 100 nm.

Est également mentionné dans cette recommandation, que tout matériau est à considérer comme relevant de la définition mentionnée ci-dessus dès lors qu’il présente une surface spécifique en volume supérieure à 60 m2/cm3.

Selon la norme ISO TS 80004-1, un nanomatériau est un matériau dont au moins une dimension externe est à l’échelle nanométrique c'est-à-dire comprise approximativement entre 1 et 100 nm ou qui possède une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique.

Il existe deux grandes familles de nanomatériaux :

Les nano-objets qui sont des matériaux dont une, deux ou trois dimensions externes se situent à l’échelle nanométrique c'est-à-dire approximativement entre 1 et 100 nm. Parmi les nano-objets, il est possible de distinguer trois catégories :

  • les nanoparticules qui désignent des nano-objets dont les trois dimensions externes se situent à l’échelle nanométrique : nanoparticules de latex, d’oxyde de zinc, de fer et de cérium, d’alumine, de dioxyde de titane, de carbonate de calcium, etc ;
  • les nanofibres, nanotubes, nanofilaments ou nanobâtonnets qui se rapportent à des nano-objets dont deux dimensions externes sont à l’échelle nanométrique et la troisième dimension significativement supérieure (nanotubes de carbone, nanofibres de polyester, nanotubes de bore, etc.). Ces termes désignent des nano-objets longilignes de section comprise entre 1 et quelques dizaines de nm et de longueur comprise entre 500 et 10 000 nm ;
  • les nano-feuillets, nano-plats ou nano-plaquettes qui définissent des nano-objets dont une dimension externe se situe à l’échelle nanométrique et les deux autres dimensions sont significativement supérieures (nano-feuillets d’argile, nano-plaquettes de séléniure de cadmium, etc.).

Les nano-objets peuvent être utilisés en tant que tels sous forme de poudre, de suspension liquide ou de gel.

Nanotubes de carbone en phase liquide

Les matériaux nanostructurés qui possèdent une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique. Parmi les matériaux nanostructurés, il est possible de distinguer plusieurs familles parmi lesquelles :

  • les agrégats et agglomérats de nano-objets. Les nano-objets peuvent se présenter soit sous forme individuelle (c'est-à-dire sous forme de particules primaires) ou soit sous forme d’agrégats ou d’agglomérats dont la taille est sensiblement supérieure à 100 nm.
  • les nanocomposites. Ces matériaux sont composés pour tout ou partie de nano-objets qui leur confèrent des propriétés améliorées ou spécifiques de la dimension nanométrique. Les nano-objets sont incorporés dans une matrice ou sur une surface afin d’apporter une nouvelle fonctionnalité ou de modifier certaines propriétés mécaniques, magnétiques, thermiques, etc. Les polymères chargés de nanotubes de carbone utilisés dans le secteur des équipements sportifs, afin d’améliorer leur résistance mécanique et de diminuer leur poids, constituent un exemple de nanocomposites.
  • les matériaux nanoporeux. Ces matériaux possèdent des pores de taille nanométrique. Les aérogels de silice sont des matériaux nanoporeux qui présentent d’excellentes propriétés d’isolation thermique.

Les nanomatériaux produits de façon intentionnelle par l’Homme à des fins d’applications précises et possédant des propriétés spécifiques sont nommés « nanomatériaux manufacturés ».

Parmi ces nanomatériaux manufacturés, certains sont produits depuis déjà de nombreuses années dans des tonnages importants tels que le dioxyde de titane, le noir de carbone, l’alumine, le carbonate de calcium ou la silice amorphe. D’autres plus récents sont fabriqués dans des quantités moindres tels que les nanotubes de carbone, les quantum dots ou les dendrimères.

Il existe également des nanomatériaux produits par l’Homme de façon non intentionnelle, appelés parfois particules ultra-fines, issus de certains procédés thermiques et mécaniques tels que les fumées de soudage ou de projection thermique, les émissions de moteurs à combustion, etc.

Enfin, des particules ultra-fines naturelles sont présentes dans notre environnement, à l’image des fumées volcaniques ou des virus.

Applications

Le passage de la matière à des dimensions nanométriques fait apparaître des propriétés inattendues et souvent totalement différentes de celles des mêmes matériaux à l’échelle micro ou macroscopique, notamment en terme de résistance mécanique, de réactivité chimique, de conductivité électrique et de fluorescence. Les nanotechnologies conduisent donc à l’élaboration de matériaux dont les propriétés fondamentales (chimiques, mécaniques, optiques, biologiques, etc.) peuvent être modifiées. Par exemple, l’or est totalement inactif à l’échelle micrométrique alors qu’il devient un excellent catalyseur de réactions chimiques lorsqu’il prend des dimensions nanométriques.

Toutes les grandes familles de matériaux sont concernées : les métaux, les céramiques, les diélectriques, les oxydes magnétiques, les polymères, les carbones, etc.

Du fait de leurs propriétés variées et souvent inédites, les nanomatériaux recèlent de potentialités très diverses et leurs utilisations ouvrent de multiples perspectives.
Les nanomatériaux permettent ainsi des innovations incrémentales et de rupture dans de nombreux secteurs d’activité tels que la santé, l’automobile, la construction, l’agroalimentaire ou encore l’électronique.

Applications des nanotechnologies et des nanomatériaux en fonction des secteurs d’activité
Secteurs d’activité Exemples d’applications actuelles et potentielles

Automobile, aéronautique et aérospatial

Matériaux renforcés et plus légers ; peintures extérieures avec effets de couleur, plus brillantes, anti-rayures, anti-corrosion et anti-salissures ; capteurs optimisant les performances des moteurs ; détecteurs de glace sur les ailes d’avion ; additifs pour diesel permettant une meilleure combustion ; pneumatiques plus durables et recyclables…

Electronique et communications

Mémoires à haute densité et processeurs miniaturisés ; cellules solaires ; bibliothèques électroniques de poche ; ordinateurs et jeux électroniques ultra-rapides ; technologies sans fil ; écrans plats…

Agroalimentaire

Emballages actifs ; additifs : colorants, anti-agglomérants, émulsifiants...

Chimie et matériaux

Pigments ; charges ; poudres céramiques ; inhibiteurs de corrosion ; catalyseurs multi-fonctionnels ; textiles et revêtements anti-bactériens et ultra-résistants…

Construction

Ciments autonettoyants et anti-pollutions, vitrages autonettoyants et anti-salissures ; peintures ; vernis ; colles ; mastics…

Pharmacie et santé

Médicaments et agents actifs ; surfaces adhésives médicales anti-allergènes ; médicaments sur mesure délivrés uniquement à des organes précis ; surfaces bio-compatibles pour implants ; vaccins oraux ; imagerie médicale…

Cosmétique

Crèmes solaires transparentes ; pâtes à dentifrice abrasives ; maquillage avec une meilleure tenue…

Énergie Cellules photovoltaïques nouvelle génération ; nouveaux types de batteries ; fenêtres intelligentes ; matériaux isolants plus efficaces ; entreposage d’hydrogène combustible…
Environnement et écologie Diminution des émissions de dioxyde de carbone ; production d’eau ultrapure à partir d’eau de mer ; pesticides et fertilisants plus efficaces et moins dommageables ; analyseurs chimiques spécifiques…
Défense Détecteurs d’agents chimiques et biologiques ; systèmes de surveillance miniaturisés ; systèmes de guidage plus précis ; textiles légers et qui se réparent d’eux-mêmes…

 

Deux exemples de nanomatériaux et d’applications associées

Le dioxyde de titane

Le dioxyde de titane est l’un des pigments minéraux synthétiques les plus utilisés à travers le monde depuis les années 20 (notamment dans les peintures, les encres, les plastiques, les bitumes, etc.) avec les oxydes de fer et le noir de carbone. Ce pigment blanc est aujourd’hui incorporé dans les ciments, mais également les verres, en raison de ses propriétés photocatalytiques qui permettent de décomposer une large variété de matières organiques, inorganiques et de micro-organismes (NOX, CO, O3, etc.). Le ciment acquiert ainsi des caractéristiques autonettoyantes (intéressantes pour la maintenance et la durabilité des bâtiments) et antipollutions. Le dioxyde de titane nanométrique est également utilisé actuellement dans les produits de protection solaire, tout comme l’oxyde de zinc, en tant que filtres ultraviolets.

Les nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone constituent, avec d’autres molécules nommées fullerènes, la troisième forme cristalline du carbone. Leur structure peut être représentée par un ou plusieurs feuillets ou parois de graphène enroulés sur eux-mêmes ou les uns autour des autres : on distingue ainsi les nanotubes de carbone mono-paroi (ou mono-feuillet) des nanotubes de carbone multi-parois (ou multi-feuillets). Ces cylindres creux démontrent des propriétés mécaniques et électriques remarquables (un nanotube de carbone est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l’acier à section équivalente) qui induisent de nombreuses applications : élaboration de matériaux composites haute performance, de polymères conducteurs ou encore de textiles techniques. Ils sont ainsi utilisés dans l’aéronautique (aile d’avion), les équipements sportifs (raquette, vélo), l’électronique (diode, transistor, etc.).

Procédés de fabrication des nanomatériaux

Les nanomatériaux manufacturés et destinés à des usages industriels peuvent être synthétisés selon deux approches différentes. On différencie la méthode dite « ascendante » (en anglais bottom-up) de la méthode dite « descendante » (top-down).

  • L’approche « ascendante » vient des laboratoires de recherche et des nanosciences. Elle consiste à construire les nanomatériaux atome par atome, molécule par molécule ou agrégat par agrégat. L’assemblage ou le positionnement des atomes, des molécules ou des agrégats s’effectue de façon précise, contrôlée et exponentielle, permettant ainsi l’élaboration de matériaux fonctionnels dont la structure est complètement maîtrisée.
  • L’approche « descendante » est issue de la microélectronique. Elle consiste à réduire et plus précisément à miniaturiser les systèmes actuels en optimisant les technologies industrielles existantes. Les dispositifs ou les structures sont ainsi graduellement sous-dimensionnés ou fractionnés jusqu’à atteindre des dimensions nanométriques. Le broyage à haute énergie est l’une des principales techniques utilisées dans cette approche actuellement.

Les 2 approches d’élaboration des nano-objets et des nanomatériaux manufacturés

Les deux approches tendent à converger en termes de gamme de tailles des objets. L’approche « bottom-up » semble néanmoins plus riche en termes de type de matière, de diversité d’architecture et de contrôle de l’état nanométrique alors que l’approche « top-down » permet d’obtenir des quantités de matière plus importantes mais le contrôle de l’état nanométrique s’avère plus délicat.

Les procédés actuels permettant la fabrication de nanomatériaux sont classés en trois grandes catégories :

procédés par voie physique :
  • l’évaporation/condensation,
  • l’ablation laser,
  • la décharge électrique,
  • les flammes de combustion,
  • la pyrolyse laser,
  • les micro-ondes,
  • l’irradiation ionique ou électronique,
  • la décomposition catalytique,
  • les dépôts physiques en phase vapeur regroupés sous le terme de PVD (Physical Vapor Deposition), etc.
procédés par voie chimique :
  • les réactions en phase vapeur regroupées sous le terme de CVD (Chemical Vapor Deposition),
  • les réactions en milieu liquide : co-précipitation chimique, hydrolyse, etc.,
  • les réactions en milieu solide,
  • les fluides supercritiques avec réaction chimique,
  • les techniques sol-gel : sol-gel à base de silice, alkoxyde de métal, etc.
procédés par voie mécanique :
  • le broyage à haute énergie ou mécano-synthèse,
  • a consolidation et la densification,
  • les techniques de forte déformation : torsion, friction, laminage, etc.

L’approche « ascendante » fait appel à des procédés d’élaboration chimiques et physiques alors que l’approche « descendante » induit, principalement, l’utilisation de méthodes mécaniques.

Cette échelle est celle de l’atome, la brique élémentaire de toute matière. Il existe ainsi la même différence de taille entre un atome et une balle de tennis qu’entre une balle de tennis et la planète Terre

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Mis à jour le 08/08/2014
Formation INRS