Les nanomatériaux. Matériaux du futur

TABLE DES MATIERES

Chapitre1. Les nanomatériaux issus de la nanotechnologie

1. Introduction

2. Avancées technologiques

3. Nanosciences et nanotechnologies

4. Définition des nanotechnologies et des nanosciences
4.1. Nanotechnologies
4.2. Nanosciences

5. Les nanosciences et nanotechnologies au quotidien

6. Conclusion

Chapitre 2. Les nanomatériaux : Aspects généraux

1. Introduction

2. Le nanomonde n’est pas nouveau

3. Définitions

4. Classifications
4.1. Selon la forme
4.2. Selon la dimension

5. Structure des nanomatériaux
5.1. Structure atomique des grains
5.2. Structure atomique des joints des grains

6. Propriétés des nanomatériaux

7. Comment obtenir un nanomatériau ?

8. Caractérisation des nanomatériaux

9. Conclusion

Chapitre 3. Les nanomatériaux : Applications

1. Introduction

2. Le secteur de l’énergie

3. Le secteur de l’environnement

4. Le secteur médical et pharmaceutique

5. La détection : Capteurs et biocapteurs

6. Le secteur de la nanoélectronique

7. Le secteur de l’industrie alimentaire

8. Le secteur de l’industrie textile

9. Le secteur de l’agriculture

10. Conclusion

Bibliographie

Avant-propos

Les nanotechnologies et les nanosciences, qui s’intéressent à la synthèse et l’investigation des phénomènes qui interviennent dans les structures ou objets ayant une taille de l’ordre du nanomètre, sont actuellement un domaine stratégique de la recherche fondamentale et appliquée très performant, en développement croissant, avec un potentiel économique immense dans plusieurs secteurs importants : informatique, mécanique, médecine, sciences des matériaux, physique, chimie, énergie, environnement…etc.

Les nanomatériaux constituent un domaine de recherche et d’ évolution nécessitant l’utilisation de techniques permettant l’organisation de la matière au niveau atomique, moléculaire ou supramoléculaire à des échelles très faibles variant de 1 à 100 nm. L’importance de ces nanomatériaux réside dans leurs nombre fini d’atomes qui se situent entre le solide et l’atome isolé. Cette propriété permet d’observer de nouveaux comportements de la matière dus à la prépondérance des lois de la physique quantique s'exprimant particulièrement à cette échelle. De nouvelles propriétés biologiques, chimiques ou physiques peuvent avoir lieu et beaucoup d’utilisations industrielles et médicales se développent rapidement.

Cet ouvrage scientifique est destiné aux jeunes chercheurs qui ont déjà suivi des cours de base en sciences des matériaux dans lesquels les concepts fondamentaux concernant les matériaux conventionnels à grains micrométriques ont été acquis. Les objectifs de ce document peuvent se résumer comme suit:

- Acquérir des compétences indispensables concernant les champs pluridisciplinaires nanotechnologies et nanosciences.
- Découvrir les différentes classes et formes des nanomatériaux : nanotubes, nanofibres, nanoparticules, nanostructures organisés, …etc..
- Découvrir les applications variées et multiples des nanomatériaux dans plusieurs domaines fondamentaux.

Cet ouvrage est réparti en trois chapitres. Le premier chapitre est consacré aux champs pluridisciplinaires nanosciences et nanotechnologies. En effet, dans cette partie nous traitons les différents concepts et définitions concernant ces deux nouveaux domaines. Le deuxième chapitre présente des aspects généraux sur les nanomatériaux; définitions, classifications, méthodes de synthèse et caractérisations. Par ailleurs, il est indispensable de connaitre, l’utilité croissante de cette nouvelle variété de matériaux. Un aperçu sur les applications colossales des nanomatériaux dans plusieurs secteurs stratégiques, est présenté au dernier chapitre de cet ouvrage.

Skikda

Mars 2019

Dr. Fama Hadef

Département de Physique

Université 20 Août 1955-Skikda

LES NANOMATERIAUX ISSUS DE LA NANOTECHNOLOGIE

1. Introduction

La nanotechnologie n’est pas nouvelle, les humains leur insu l’utilisent depuis des siècles. L’élaboration d’épées en acier, est un exemple de la nanotechnologie appliquée. En effet, l’acier est un mélange de plusieurs métaux qui sont transformés par le biais au niveau atomique par fusion [1,2].

Selon la littérature, le terme matériaux nanostructurés a été adopté et utilisé pour la première fois lors du congrés titré : "Materials with ultrafine Microstructure" qui s'est déroulé à Atlantic City l’année 1990, reliant une variété de domaines qui étudient les matériaux avec une microstructure dont la longueur caractéristique est dans la gamme de 1-100 nm [3]. En 1984, le terme «matériau nanocristallin» est apparu pour la première fois pour désigner des matériaux synthétisés par condensation en gaz inerte constitués de cristallites de taille nanométrique et compactés sous forme d’un solide poreux [4]. Les premiers résultats ont conduit les chercheurs à croire que les matériaux nanocristallins constituent une nouvelle forme de la matière jamais rencontrée auparavant. Actuellement, le préfixe "nano" est devenu sans doute le plus en vogue dans tous les domaines de la vie [3] :

- Domaines de recherche : Nanophysique, nanochimie, nanomécanique…etc.
- Produits synthétiques : Produits cosmétiques, produits solaire, les dentifrices…etc.
- Revues scientifiques : Journal of Nanomaterials, Journal of Nanoscience and Nanotechnology Applications, Journal of Nanofluids….etc.

En effet, la littérature scientifique et technique s'est vue récemment enrichie de nouveaux termes utilisés pour définir les objets nanométriques ainsi que des concepts. On peut citer : nanomatériaux, nanoparticules, alliages nanocristallins, nanograins …etc [3].

La nanoscience s’inscrit dans la continuité d’une allure d’investigation qui tend à ouvrir le champ des connaissances vers de nouveaux orizons. Qu’il s’agisse des sciences physiques, chimiques, mais aussi biologiques, le but est actuellement la conception des phénomènes qui se manifestent au niveau du grain élémentaire constitutif de la matière, sur des faibles distances de l’ordre du nanomètre [1].

Depuis une dizaine d’années, les nanotechnologies sont passées de l’empirisme, puis de l’investigation et de la recherche (1980-2000) à l’application et à la commercialisation. Il est bien évident que les nanosciences et les nanotechnologies touchent actuellement tous les disciplines et les domaines de recherche: métaux, céramiques, diélectriques, oxydes magnétiques, polymères…etc.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Figure 1.1: Familles des nanomatériaux issus des nanotechnologies

Source: propre image

En réalité, la nanotechnologie ne se limite pas aux domaines cités précédemment, mais elle touche également l’industrie-médicale. L'utilisation de la nanotechnologie dans la médecine, appelée nanomédecine, s’avère prometteuse et a profondément attiré l’attention de plusieurs chercheurs dans plusieurs disciplines ; universitaires, pharmaciens, médecins…etc [5]. En effet, la nanotechnologie et la nanoscience pourraient fabriquer des moyens plus efficaces, de fournir des médicaments avec moins d’effets secondaires, et même de mettre au point des procédures qui pouvaient aider à guérir des tissus ou organes endommagés de l’organisme vivant [2,6].

2. Avancées technologiques

C’est Richard P. Feynman, le physicien américain qui fut le premier à lancer le défi à la communauté scientifique lorsqu’il déclarait dans son célébre discours présenté le 29 décembre 1959, à la réunion annuelle de la société américaine de physique au CALTECH : " il y a plein de place en bas de l'échelle! Considérons la possibilité de faire un objet très petit, à l'image des cellules, aussi petit et aussi fonctionnel que nous puissions commander et qui exerce une fonction à cette échelle!…la chimie reviendrait alors à placer les atomes un par un exactement à la position voulue…mais actuellement nous devons toujours accepter les arrangements que la nature nous impose. Je ne doute pas que, lorsque nous aurons quelques contrôle sur l'arrangement des objets à une petite échelle, nous découvrirons que la matière possède une gamme de propriétés énormément étendue et qu'avec nous pouvons réaliser beaucoup de chose" [3].

C’est en 1974 que le terme nanotechnologie a été utilisé pour la première fois par le Japonais Norio Taniguchi, pour décrire les procédés qui désignent la conception, la fabrication et l’utilisation des structures à l’échelle du nanomètre, et qui était popularisé par la suite par Eric Drexler [5]. Les deux instruments puissants des nanotechnologies sont le microscope à effet tunnel (ou STM : Scanning Tunneling Microscope) et le microscope à force atomique (ou AFM : Atomic Force Microscope). Le microscope à effet tunnel est l’outil fondamental qui a contribué au développement des nanotechnologies car il fut le premier instrument à permettre l’observation de la matière à l’échelle nanométrique. Le microscope à effet tunnel STM fut créé en 1981 par des chercheurs d’IBM, l'allemand Gerd Binnig et le suisse Heinrich Rohrer. Cette invention fut couronnée par le Prix Nobel de physique en 1986 [5].

En 1985, trois chercheurs : les deux américains : R. Smalley et R. Curl de Rice University, Houston, Etats unis et le britannique H. Kroto de University of Sussex, Grande Bretagne, ont découvert une nouvelle forme allotropique du carbone jamais rencontrée auparavant. Cette nouvelle molécule nanostructurée est appelée : Fullerène C60. Cette structure est constituée de 60 atomes de carbone répartis sur les sommets d'un polyèdre régulier constitué de facettes hexagonales et pentagonales [7].

En 1991, le physicien japonais Sumio Ijima, des Laboratoires NEC à Tusukuba, a mis en évidence les nanotubes de carbone. Ces derniers sont constitués d'un ou plusieurs feuillets d'atomes de carbone enroulés sur eux-mêmes formant un tube. Le tube peut être fermé ou non à ses extrémités par une demi-sphère de fullerène. Il existe deux types de nanotube de carbone: simple-feuillet, en anglais Single-Walled Carbon Nanotubes ; SWCNT, et multi-feuillets en anglais Multi- Walled Carbon Nanotubes ; MWCNT [8].

Le graphène est le membre le plus récent de la famille du carbone. Il a été découvert en 2004 par André Geim et Konstatin Novoselov. Cette contribution remarquable a été couronnée par un prix Noble de physique en 2010 et a conduit à une augmentation particulière de l'intérêt porté à la recherche et l’application du graphène. Ce matériau bidimensionnel est constitué d’une feuille de graphite d'épaisseur monoatomique. Il est considéré comme l'élément structurel de base d’autres formes allotropiques du carbone [9].

3 . Nanosciences et nanotechnologies

Avant de détailler les définitions des nanosciences et nanotechnologies, il convient d’abord de s’interroger sur l’origine de ces nouveaux termes. En effet, tout est une question de taille. Le préfixe « nano » vient du mot grec nanos qui signifie nain (très petit). Les scientifiques l’utilisent comme préfixe dans les unités de mesure pour exposer le milliardième de l’unité de base : le nanomètre est le milliardième de mètre, et c’est environ 4 atomes disposé l’un à côté de l’autre [10].

La particularité fondamentale des nanotechnologies qui en fait le domaine le plus prometteur des nouvelles technologies est le fait qu’à l’échelle nanométrique, les lois de la physique conventionnelles ne s’appliquent plus de la même façon. Les propriétés physiques, chimiques et biologiques à l’échelle nanométrique ne peuvent être directement déduites de celles qui sont connues aux échelles macroscopiques. Les matériaux nanostructurés posent beaucoup de problèmes concernant la compréhension des phénomènes fondamentaux car la plupart des lois physiques ont été établies à une échelle macroscopique. L’effet de la nanostructuration est tout à fait notable, dû à l’importante fraction d’atomes constitutive des interfaces (faible degré d’ordre, brisure de symétrie…). Si on arrive à manœuvrer la matière à l’échelle nanométrique, on sera en mesure de moduler la matière selon nos nécessités. Les conséquences prévisibles sont alors presque infinies. Certains chercheurs parlent déjà d’une troisième révolution technologique, après la révolution industrielle (XIX siècle) et celle de la microélectronique (Siècle passé) [11,12].

4 . Définitions des nanotechnologies et des nanosciences

Les nanotechnologies constituent un domaine d’investigation et de développements technologiques impliquant l’élaboration de structures, de dispositifs et de systèmes à partir de processus permettant d’organiser la matière à des échelles spécifiques comprises approximativement entre 1 et 100 nanomètres [1]. En raison de l’apparition de phénomènes nouveaux, les nanotechnologies suscitent et utilisent le développement de champs scientifiques nouveaux qui explorent les comportements de la matière qui se manifestent à faible échelle. Ce sont les nanosciences. On peut affirmer alors que les champs nanosciences et nanotechnologies s’intéressent à la même échelle, et par conséquent partagent et développent des dispositifs communs.

4.1 Nanotechnologies

On peut définir les nanotechnologies comme l’ensemble des savoir-faire pluridisciplinaires qui permettent un usinage à l'échelle moléculaire, voire atomique. Néanmoins, on peut dire que le terme de nanotechnologie désigne à la fois les processus industriels permettant de réaliser des structures de matériaux dont la taille est inférieure à 100 nanomètres et tous les applications et produits recourant à ce type de structures dans le but d’exploiter leurs caractéristiques physiques et chimiques particulières. Il s’agit donc d’un terme générique regroupant une variété de champs d’application [11].

Les nanotechnologies se répartissent entre trois grands domaines : les techniques de l’information et de la communication, la santé (imagerie médicale et diagnostic précoce, médicaments ciblés, implants et prothèses, tissus artificiels…), et enfin le large domaine des matériaux, dont les utilisations couvrent la majorité des secteurs industriels [12,13].

4.2 Nanosciences

C’est l’ensemble des recherches ayant pour but la fabrication et l’investigation de matériaux nanostructurés, ainsi que la recherche de méthodes d’assemblage permettant d’accéder à des nanomatériaux qui permettront d’aboutir aux matériaux adaptatifs. En ce sens les nanosciences s’intéressent à connaître et à saisir les approches par lesquels la matière, inerte ou vivante, s’organise par auto-assemblage à l’échelle des structures moléculaires, des agrégats plus ou moins complexes d’atomes, et des atomes eux-mêmes [13].

5. Les nanosciences et nanotechnologies au quotidien

Les nanotechnologies représentent sans aucun doute le nerf de cette révolution technologique. En émergence depuis le début de ce millénaire, leurs développements importants ont bouleversé tous les champs technologiques et scientifiques. Elles ont la particularité par rapport aux autres champs que celles-ci opèrent à des dimensions nanométriques ou la matière que l’on utilise présente de nouvelles caractéristiques jusqu’alors cachées.

Par ailleurs la réussite de recherches dans le domaine des nanotechnologies ne peut provenir que de la collaboration des efforts de plusieurs acteurs agissant dans différentes branches scientifiques et technologiques : informatique, mathématiques, génie, chimie, physique, biologies …etc. Universités, entreprises et gouvernements s’intéressent aux nanotechnologies et nanosciences parce ce que les applications envisagées des nanomatériaux pourraient changer tous les aspects de la vie courante [14].

Les nanomatériaux ont des applications dans tous les secteurs industriels. L'apparition et le développement de nanomatériaux, pourraient ainsi permettre l’amélioration de plusieurs caractéristiques et procédés. Les nanomatériaux sont présents presque dans toutes les disciplines de la vie quotidienne.

Historiquement, le marché de la micro-électronique a été le premier à exploiter les conséquences de la miniaturisation des systèmes menés par l’arrivée des nanotechnologies. Le développement de cellules photovoltaïques où l'empilement de semi-conducteurs contrôlés à l'échelle nanométrique améliore le rendement. Les nanomatériaux sont également présents dans les produits cosmétiques avec la présence de nanoparticules de dioxyde de Titane dans les crèmes solaires et les crèmes hydratantes, ainsi que dans des dentifrices [16].

Pour les loisirs, les balles de tennis en matériaux nanocomposites ont vu leur durée de vie augmentée alors que les raquettes perdaient en poids tout en gagnant en résistance, grâce à l’introduction de nanotubes de carbone dans leur structure.

Les industriels développent également des revêtements nano-modifiés inspirés du monde végétal, en particulier du comportement des feuilles de lotus recouvertes de nanocristaux de cire, qui leur permettent de ne pas se mouiller et de demeurer propres même dans un milieu boueux. Les applications envisagées sont immenses : vitres antisalissures pour fenêtres et automobiles, peintures faciles à lessiver, tuiles autonettoyantes, revêtements antibactériens pour la cuisine et les sanitaires [17].

6. Conclusion

Ces dernières décennies sont apparus les nanotechnologies et les nanosciences qui suscitent un intérêt croissant et constituent le cœur de la révolution industrielle. Ces nouveaux domaines sont en fait une illustration de la coopération et de l’interdépendance de plus en plus croissante entre de nombreux domaines auparavant distincts ou peu unis. Aujourdhui, il est bien évident que les nanosciences et les nanotechnologies touchent toutes les branches techniques et scientifiques comme ; la physique, la chimie, la biologie, l’électronique…etc.

Les nanosciences concernent l'étude des comportements de la matière aux échelles atomiques et moléculaires où les propriétés diffèrent totalement de celles des matériaux à grains conventionnels. Les nanotechnologies correspondent à la détermination, la conception et l’utilisation de dispositifs à l'échelle du nanomètre.

Le point commun entre les deux domaines est la dimension nanométrique des matériaux étudiés et/ou des instruments accédant à leur usage. Les promesses et les perspectives d'applications des nanosciences et nanotechnologiess sont immenses et incontournables pour une vie pratique et confortable.

LES NANOMATERIAU X : ASPECTS GENERAUX

1. Introduction

L’investigation et l’application des matériaux nanostructurés connaissent un essor considérable en raison de leurs caractères singuliers par rapport aux matériaux massifs de même composition chimique. En effet, dans ce nouvel aspect, certaines propriétés sont amplifiées alors qu’elles n’étaient pas significatives aux échelles classiques, ce qui entraine l’apparition de nouveaux comportements de la matière. Ces nano-objets permettent par le biais de cet aspect de produire des matériaux, dispositifs et systèmes ayant des propriétés et des fonctions fondamentalement nouvelles.

Un nanomatériau est un matériau (pulvérulent, aérosol, suspension liquide, gel) possédant des caractéristiques particulières à cause de sa faible dimension et de sa structure nanométrique. Les nanomatériaux sont généralement obtenus par des procédés nanotechnologiques, à la différence des nanoparticules qui peuvent provenir de source naturelle ou découler de processus industriels. Les nanomatériaux représentent un domaine de la matière condensée en fort engouement depuis plusieurs années. L’intérêt d’invéstiguer les matériaux à l’échelle nanométrique réside dans le fait que de nombreuses propriétés physico-chimiques pouvant avoir lieu si les grains constitutifs de ces matériaux ont une grandeur caractéristique du nanomètre [18].

L’une des propriétés singulières des nanomatériaux est le grand rapport atomique surface/volume.

L’immense fraction d’atomes présents à la surface des nanomatériaux et leurs faibles tailles leurs confèrent des propriétés différentes de celles des matériaux conventionnels à grains micrométriques de même composition chimique.

2. Le nanomonde n’est pas nouveau

Cette réalité est peu connue, mais nous vivons déjà au milieu des nanomatériaux. Ainsi, des nanoparticules de différentes tailles et formes baignent dans l’environnement qui nous entoure, depuis des milliers d’années.

Si les nanotechnologies et les nanosciences sont des domaines nouveaux, les nanomatériaux ont toujours existés. Nous citons dans ce qui suit quelques exemples pour illustrer cette réalité.

- L es nanomatériaux dans l’art

La coupe de Lycurgus est une coupe romaine très connue datant du 4ème siècle avant JC. Elle est gardée au British Museum. Elle a la particularité de convertir la couleur en fonction de l’éclairage (intérieur ou extérieur). Les romains broyaient très finement des poudres d’or ou d’argent et les ingéraient au verre en fusion, sachant que cela modifiait la couleur du matériau. Lors du refroidissement du verre, l’or se condense en nanoparticules qui ont une vaste surface et qui absorbent la lumière dans une gamme de longueur d’onde particulière. Eclairée en réflexion la coupe diffuse la lumière absorbée (vert), éclairée en transmission par l’intérieur, le vert est absorbé et on voit la coupe rouge [19].

- Les nanomatériaux dans la nature

L’opale est l’une des exceptionnelles pières qui a la particularité de présenter toutes les couleurs du spectre visible dans une seule et même gemme. Ce comportement résulte de la diffraction de la lumière à travers un empilement compact plus ou moins régulier de nanoparticules de silice : la couleur de chaque parcelle de l’opale dépend de l’orientation de l’origine de la lumière incidente et également de la dimension des particules de silice ainsi que de l’espacement entre les différentes couches parallèles. Et donc, lorsque la gemme bouge, la couleur se trouve modifier, se qui donne un charme à l’opale [20].

Un autre exemple est celui de l'effet lotus qui désigne le comportement superhydrophobe des feuilles de la plante du Lottus, par la présence de nanoreliefs à la surface des feuilles. Les gouttes d'eau qui s'y étalent maintiennent une allure quasi sphérique, elles n'adhèrent pas à la feuille et donc ne la mouillent pas. Cet effet intéresse les industriels qui cherchent à synthétiser : des tissus imperméables, des bétons hydrofugés, des surfaces autonettoyantes…etc [21].

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