Nanomatériaux & Nanoparticules

par Gélaze MENDY

I°) Qu'est-ce qu'un nanomatériaux ?

Les nanomatériaux 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. Nous allons voir quelques exemples pour mieux comprendre le nano-monde.

L’unité de référence du nano-monde 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). En termes d’illustration on utilise souvent l’image suivante : il y a autant de différence entre la terre et une orange qu’entre une orange et un nano-objet.

Un nanomatériau est un matériau naturel ou crée par l'homme en laboratoire, formé accidentellement ou manufacturé contenant des particules libres, sous forme d’agrégat (groupe) ou individuelle, dont au moins la moitié des particules présentent au moins une dimension qui mesurent entre 1 et 100 nm. Une grande partie de l’intérêt pour les nano-objets et particules nano-structurées vient des propriétés intrinsèques à leurs dimensions et à leur forme : lorsque la taille des particules décroît jusqu’à atteindre des dimensions nanométriques, les propriétés et le comportement de ces dernières évoluent. Ainsi, par exemple, des matériaux isolants, opaques, diamagnétiques, inertes peuvent devenir respectivement conducteurs, transparents, magnétiques, réactifs ou encore changer de couleur, devenir solubles, former des structures ordonnées.

II°) Les différents type de nanomatériaux :

Les nanomatériaux sont des matériaux dont une, deux, ou trois dimensions externes se mesurent à l'échelle nanométrique. Les nanomatériaux peuvent être utilisés sous forme de poudre, de liquide ou de gel.

Les nanotechnologies recouvrent les instruments, les techniques de fabrication, la mise en œuvre des nanosciences pour les applications dérivées ( ordinateurs, téléphones portables, etc.). (Matériaux nano structurés)

Cette distinction particule ultra fines et nanoparticules correspond à la distinction entre les particules naturelles et les particules fabriquées par l’homme. Une nanoparticule est fabriquée intentionnellement par l’homme, tandis que les particules ultra-fines sont des particules naturelles (c’est à dire pas fabriquées intentionnellement : c’est le cas des particules dans le milieu de la soudure). Ce sont des nano objets. Le terme nanomatériaux est un terme genérique qui regroupe les nano objets et les matériaux nano-structurés.

1°) Les nanoparticules:

Premièrement, on retrouve les nanoparticules disposant de leurs trois dimensions externes à l'échelle nanométrique par exemples les nanoparticules de latex, de fer…

2°) Les nano-fibres/nanotubes:

Deuxièmement, les nano fibres aussi appelés nanotubes, nano filaments ou encore nano bâtonnets. Ces nanomatériaux disposent de deux dimensions externes à l'échelle nanométrique et la troisième couche beaucoup plus grande. Ces nanomatériaux ont un diamètre mesurant entre 1 et 10 nm et une longueur comprise entre 500 et 10 000 nm.

3°) Les nano-plats/nano-feuillets:

Les nano-plats ou nano plaquettes mais plus communément appelés nano-feuillets ne disposent que d'une seule dimension externe a l'échelle nanométrique et les deux autres sont significativement supérieures. (Ex: nano feuillets d'argiles).

Nanoparticules de latex

Nanotubes de carbone

Nanofibres

Nano-feuillets

Nano-feuilles de graphène

4°) Les matériaux nano-structurés:

Les matériaux nano-structurés possèdent une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique. Il existe plusieurs familles de matériaux nano-structurés.

Les agrégats ou agglomérats de nanomatériaux: les nanomatériaux peuvent se présenter sous forme individuelle (leur forme primaire) ou sous forme d’agglomérats, de paquets. Leur taille est aux alentours de 100nm.

Les nano-composites: ce sont des matériaux composés entièrement ou en partie de nanomatériaux, ce qui a pour but de leur conférer des propriétés améliorées ou spécifiques que seule la dimension nanométrique peut apporter. Les nanomatériaux sont incorporés sur une surface pour modifier les propriétés mécaniques, magnétiques ou thermiques d'un objet. Les nano-composites sont très souvent utilisées dans les équipements sportifs pour améliorer les performances (Ex: les nanotubes de carbones dans les raquettes de tennis pour diminuer leur poids).

Les matériaux nano-poreux: ils présentent d’excellentes propriétés d’isolation .Les nanomatériaux qui sont produits par l’homme pour des expériences scientifiques par exemples, sont nommés nanomatériaux manufacturés. Parmi ces nanomatériaux manufacturés certains sont produits depuis très longtemps. Par exemple le dioxyde de titane que l’on retrouve dans les colorants. D’autres plus récents sont produits dans de plus petites quantités par exemple les nanotubes de carbone qui sont d’excellents conducteurs et qui sont utilisés dans les téléviseurs.

III°) Les nanotechnologies :

Les nanotechnologies concernent des technologies variées pluridisciplinaires. Elles concernent l'ensemble d'outils, d'instruments, des techniques qui permettent aux sciences de progresser en offrant des moyens d'étudier, de manipuler, de fabriquer, de mesurer les objets à l'échelle nanométrique.

Les nanotechnologies manufacturés et destinés à des usages industriels peuvent être synthétisées 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 nanotechnologies 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 » 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. C’est la technique la plus utilisée de nos jours.

Les nanotechnologies permettent d'élaborer des nanomatériaux qui ont des propriétés nouvelles comme conductivité électrique et thermique, élasticité et solidité accrues. Par exemple le carbone sous forme graphique est tendre et malléable dans la mine de crayon alors qu'à l'échelle nanométrique sous forme de nanotubes il est plus solide que l'acier et six fois plus léger.

1°) Dans le secteur médical:

On peut envisager des diagnostics précoces de certaines maladies comme le cancer ou l'Alzheimer par des puces combinant informatiques, cellules, gènes et protéines permettant la détection de l'ADN et des molécules par exemple. L’ingénierie des tissus, des matériaux biométriques et des implants est en essor. Une armature doit fournir le support sur lequel les cellules peuvent se développer. Des nanotubes de carbone ou des particules de titane peuvent jouer ce rôle. On peut envisager la réparation d'un organe déficient ou sa substitution.

2°) Dans le secteur industriel:

Les nanotechnologies contribuent à renforcer les performances de produits industriels (les matériaux sont plus légers et plus résistants), comme la fabrication de pneus inusables, de revêtements antibruit, de vitres athermiques, de moteurs céramiques, de téléphones portables, d'ordinateurs, de matériel électroménager. Mais aussi des revêtements antibactériens, des textiles auto réparateurs, des systèmes dépolluants, des écrans plats. Par exemple, en informatique, en communication, la fabrication de circuits intégrés utilise des traits de gravure d'une mesure inférieure à 100 nm.

3°) Dans le secteur environnemental:

Par exemple, on peut utiliser des nanotechnologies pour la décontamination des sols ou l’assainissement de l'eau: on utilise des zéolites, matériaux criblés de pores nanométriques, pour filtrer ou fixer les substances toxiques telles que les métaux lourds. Cela aide à la production d'essence sans plomb, de lessives sans phosphates, de pots catalytiques, de liquides réfrigérants...

Zéolites

4°) Dans le secteur militaire:

Les nanotechnologies pourraient permettre la création de l’humain amélioré ce qui leur permettrait une meilleur efficacité. Par exemple, la société Sagem Défense Sécurité développe un système de comba individuel destiné à l'armée de Terre: le "Fantassin à Equipements et Liaisons Intégrés" (FELIN) qui permet d'améliorer la communication, l'observation, la létalité, la protection, la mobilité et le soutien de l'homme.

III°) Les dangers des nanomatériaux:

La principale voie de pénétration des nanoparticules dans le corps humain est l’appareil respiratoire. Ils peuvent aussi se retrouver dans l’intestin après l’avoir ingéré. Le principal risque des nanomatériaux est qu’ils sont assez petits pour passer nos défenses naturelles telles que les bronches ou les alvéoles.

Les nanomatériaux disposent d’une toxicité qui leur est propre. Les nanomatériaux sont dangereux et sont à l’origine de nombreuses inflammations par rapport à des matériaux de même nature chimique qui sont plus grand.

Alors que les nanotechnologies ouvrent des portes prometteuses dans plusieurs domaines, des études suggèrent que les nanoparticules qu’elles génèrent pourraient avoir des effets nocifs sur la santé ou l’environnement (Songmene et coll, 2014). Des nanoparticules peuvent également être générées lors de la fabrication, la manutention et l’assemblage de pièces métalliques ou de pièces à base de nanomatériaux. D’autres activités quotidiennes, telles que le freinage des automobiles, peuvent aussi produire des nanoparticules. A titre d’exemple, une étude a été menée en 2014 pour déterminer les conditions qui entourent la génération des nanoparticules lors du frottement et de l’usinage des pièces en alliage d’aluminium (Songmene et coll, 2014).