Une avancée comparable à la diffusion de l’électricité
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Deux grands types d’approche : réduire ou construire |
| EXPLICATION La matière divisée
Domaine des chercheurs (chimie, environnement, informatique…) qui se
consacrent à l’étude de toutes les formes divisées de la matière
(suspensions, gels, pâtes, solides poreux, fibres, composites, couches
minces ou agrégats). Leur objectif : comprendre comment cet état de
division contrôle la manière dont le matériau s’organise, se déforme,
réagit, s’use, se corrode et vieillit.
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| EXPLICATION La matière molle
La physique de la matière molle décrit les propriétés de fluides
complexes et de systèmes moléculaires organisés de manière
intermédiaire entre un liquide et un solide.
Les échelles de taille pertinentes sont entre 1 nm et 100 nm. |
Les nanomatériaux et leurs propriétés
Les innovations techniques actuelles dans le secteur des nanotechnologies reposent à 70 % sur l’amélioration des propriétés des matériaux. Elles concernent tous les secteurs industriels, des plus sophistiqués (électronique, santé, espace) aux plus traditionnels comme la construction ou la mécanique. La recherche sur les matériaux vise de nombreux objectifs : l’amélioration des performances, la réduction des pollutions, les économies d’énergie, la conservation des ressources naturelles, l’amélioration de la sécurité des transports et la médecine.
La structuration à l’échelle nanométrique, et les propriétés nouvelles qui en découlent, permettent de concilier des propriétés jusqu’ici impossibles à obtenir simultanément dans un même matériau, comme la flexibilité et la résistance.
Alléger et renforcer : l’exemple des transports
Selon un rapport de la Commission européenne (2006), les nanotechnologies pourraient concerner 60 % de la conception et de la fabrication des véhicules dans les dix prochaines années. En particulier, les nanomatériaux et la nanoélectronique constituent la base des études actuelles sur les accumulateurs et les nouveaux systèmes de motorisation comme la traction hybride ou électrique.
Les fonctionnalités des vitrages et des plastiques (antireflet, adaptation à la luminosité, autonettoyant, bactéricide) peuvent être augmentées. Les pots catalytiques tirent aussi profit de filtres céramiques nanostructurés pour augmenter l’efficacité de la réaction catalytique tout en diminuant la quantité de platine – rare et coûteux – utilisé. Enfin, l’ajout de nanoparticules céramiques dans les lubrifiants diminue les frottements, améliore les propriétés de rhéologie et de conductivité thermique, avec là encore un allongement de la durée de vie des pièces et du lubrifiant.
Parmi les nanomatériaux les plus couramment utilisés aujourd’hui figure le noir de carbone. Composé de particules de 10 à 1 000 nm, il est notamment employé pour renforcer la structure du caoutchouc des pneumatiques. Plus récemment, il lui a été ajouté des agrégats de nanoparticules de silice offrant des propriétés améliorées de roulement et de durée de vie.
Donner des propriétés particulières à une surface : les applications en mécanique
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DÉFINITION
La rhéologie est l’étude de la déformation et de l’écoulement de la
matière sous l’effet d’une contrainte appliquée. Quelques exemples de
champs d’application
: la fabrication du verre, la mise au point des lubrifiants, la mise en
forme de pièces plastiques ou métalliques, l’étude des glissements de
terrain en géologie, le comportement des fruits et légumes sous une
contrainte d’écrasement en agronomie ou le comportement du sang en
médecine…
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Augmenter la réactivité de la catalyse chimique : l’exemple de l’industrie pétrolière
Les nanomatériaux sont utilisés comme catalyseurs du fait de leur rapport surface sur volume favorable à une grande réactivité. Ils sont aussi en général très sélectifs, ce qui tend à réduire la quantité de produits résultant de réactions annexes secondaires et les déchets. L’industrie pétrolière les utilise (nanodispersions de platine sur alumine par exemple) en grandes quantités pour obtenir un indice d’octane élevé dans les carburants.
Autre exemple : les oxydes de cérium sont utilisés comme additifs dans les diesels afin d’en optimiser la combustion, de diminuer les émissions de certains gaz polluants et de réduire les dépôts préjudiciables aux moteurs. Leur utilisation augmente toutefois l’émission d’autres polluants.
Examiner la nature pour imaginer les matériaux de demain
L’homme n’a cessé de s’inspirer de la nature pour concevoir outils et matériaux. Les nanotechnologies ouvrent de nouvelles possibilités pour mettre en œuvre cette démarche. Le biomimétisme s’inspire des propriétés physiques des espèces naturelles, animales et végétales. Il en va de même des applications liées au phénomène de l’adhérence. La fabrication de nouveaux adhésifs puissants, détachables et n’utilisant pas de colle pourrait être rendue possible en imitant la structure de l’extrémité des doigts du gecko.
La moule commune est, elle aussi, une artiste de l’adhérence qui pourrait inspirer les chercheurs. Son pied est constitué de muscles et d’une glande qui sécrète des filaments. Ils sont pourvus à leur extrémité d’une sorte de pastille adhésive permettant la fixation de la moule sur un support.
Certaines voies de recherche envisagent d’ailleurs de combiner les propriétés d’adhérence du gecko et de la moule afin de mettre au point un nouveau matériau qui colle aussi bien sous l’eau qu’à l’air libre et qui puisse se détacher facilement tout en gardant son adhérence lors d’une nouvelle utilisation.
La nacre des ormeaux résiste mieux aux acides que la coquille et se reconstitue lorsqu’elle est percée ou abîmée chez l’animal vivant. Elle est formée par la superposition régulière de couches de conchyoline – une substance protéinique – et de cristaux d’aragonite – un minéral à base de carbonate de calcium. La conchyoline, présente en très petite quantité dans la nacre (4 à 6 %), sert de ciment aux cristaux d’aragonite (présente à 90 %) ce qui donne une grande résistance à ce matériau naturel. C’est grâce à cette même structure que certains oursins peuvent renforcer leurs épines de trente centimètres et résister au ressac.
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S’inspirer des phénomènes naturels pour créer des nouvelles applications
Des phénomènes naturels, observés à l’échelle
nanométrique, servent de modèles pour développer des applications.
Ainsi, un voile de cire à la surface des feuilles de lotus et de
capucine forme un relief hydrophobe sur lequel rien n’adhère. Cet «
effet lotus » a inspiré la structure de certaines surfaces vitrées pour
empêcher les souillures de se fixer.
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Grâce à une structuration par superposition, la nacre des ormeaux est particulièrement résistante.
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L’atome au cœur de la recherche en nanosciences
Afin de mettre à profit l’échelle nanométrique dans diversesapplications (évoquées des pages 38 à 40), il est nécessaire au préalable de connaître et de maîtriser les caractéristiques de la matière à cette échelle. Si la théorie de la mécanique quantique décrivant les lois qui régissent le mouvement des atomes, formulée dans les années 1920, permet de relativement bien décrire les nanoparticules et nano-objets (briques de base pour de futuresapplications), il n’en reste pas moins qu’une description par l’expérience reste indispensable, afin de mieux les comprendre et les maîtriser.
Les nanosciences sous-tendent les connaissances des propriétés de la matière et de sa manipulation. Elles permettent de fournir les méthodes et les outils nécessaires pour que se développent pleinement et, en sécurité, les nanotechnologies, c’est-à-dire la création de produits et d’objets exploitant les propriétés de l’échelle nanométrique.
Voir et manipuler la matière à l’échelle nanométrique, l’exemple du microscope à effet tunnel
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Microscope à effet tunnel
Le microscope à effet tunnel, inventé en 1981, permet d’observer la surface de la matière à l’échelle des atomes et de les déplacer sous certaines conditions.
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DEFINITION
Le microscope à effet tunnel a été inventé en
1981 par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, prix Nobel de physique, et
utilise les interactions qui se produisent entre deux molécules très
proches. Ainsi, lorsqu’une pointe nanométrique conductrice passe près
d’une surface, un courant électrique très faible se crée permettant
d’imager les atomes ou d’obtenir une information sur leur nature
chimique (voir aussi définition de l’effet tunnel page 9).
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Étudier les différentes formes de la matière
Comprendre la structure et l’agencement des particules est l’une des missions essentielles des nanosciences. En effet, chaque structuration donne à la matière des propriétés spécifiques : l’eau, par exemple, présente des caractéristiques (solidité, transparence, conduction de l’électricité…) bien différentes selon qu’elle est liquide ou gelée, c’est-à-dire si les molécules qui la composent sont libres de se déplacer ou figées en cristal.
Les agencements du carbone sont actuellement l’un des secteurs les plus dynamiques en nanosciences. Il s’agit d’étudier les façons dont les atomes de carbone peuvent s’assembler entre eux, puis de déterminer les propriétés qui en découlent.
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REPERE
Nanotubes et fullerènes Jusqu’en 1985, on ne connaissait que deux matériaux constitués de carbone pur : le graphite et le diamant. Puis deux nouveaux agencements, qui vont ouvrir des perspectives inédites, vont être découverts : les fullerènes, en 1985, par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley (prix Nobel de chimie en 1996) et les nanotubes de carbone, en 1991, par Sumio Ijima. Les deux semblent voués à une utilisation croissante dans les matériaux du XXIe siècle (voir aussi dans Risques pour la santé et l’environnement pages 56 à 59 les données relatives à leur toxicité).
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Comprendre le mouvement des nanoparticules
Le mouvement d’une particule de taille nanométrique est très différent du mouvement d’une particule de grosse taille comme une poussière ou une balle. Aux échelles micro et nanométrique, intervient en effet le phénomène d’agitation thermique qui joue un rôle important et parfois même prépondérant dans le positionnement des particules.
L’agitation thermique correspond au fait qu’à l’échelle nanométrique, toute particule est en mouvement incessant. Cette agitation est liée à la température : plus un objet est chaud, plus les particules qui le composent sont agitées. Dans un cristal, les atomes, liés les uns aux autres, sont ainsi en vibration constante, la fréquence et l’amplitude de la vibration déterminant des caractéristiques importantes comme la conductivité ou l’absorption de la lumière.
Dans un gaz, chaque particule, par exemple de fullerène, se déplace en permanence : il en résulte des collisions incessantes entre les particules et un mouvement d’ensemble complexe à prévoir. Les mouvements et les collisions incessantes, nommés mouvement Brownien, ont par exemple pour effet la diffusion rapide dans une pièce d’une odeur émise à un endroit particulier. Comprendre ces phénomènes de diffusion est essentiel, notamment pour être en mesure de connaître la vitesse à laquelle les particules peuvent s’agglomérer et la distance de propagation de certaines nanoparticules dans l’environnement.
Comprendre les processus à l’œuvre et exploiter les propriétés : l’exemple de la fluorescence
Parmi les nombreuses voies ouvertes, l’utilisation d’une propriété connue, la fluorescence, pourrait être considérablement accrue grâce à la maîtrise des propriétés optiques des nanomatériaux. Elle est très sollicitée en médecine, dans les laboratoires, car elle permet de suivre à la trace des molécules spécifiques. Elle est en effet utilisée pour augmenter le contraste des images du corps (radiographies, IRM…) ou pour permettre de visualiser des tissus qui ne seraient pas visibles autrement.
La fluorescence repose sur la capacité de certaines molécules à absorber les rayons lumineux, puis à réémettre (quasi instantanément ou après quelques secondes) des rayons lumineux spécifiques facilement observables. En injectant ces molécules ou en les faisant se lier à d’autres molécules ciblées, on obtient ainsi un traceur très utile pour repérer par exemple des tumeurs ou des lésions. L’efficacité et le type d’utilisation de ces molécules fluorescentes dépendent beaucoup de leur taille et de leur forme : l’emploi de particules nanométriques permettrait ainsi des applications plus nombreuses, plus fiables et plus précises.
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L’agencement des atomes de carbone Parmi les différents types d’agencement connus du carbone, quatre donnent lieu à des applications dans la vie courante : * l’agencement en cristal, qui donne les diamants. La formation d’un tel cristal nécessite des conditions de température et de pression particulières qui se trouvent peu fréquemment dans le manteau de la terre ; * l’agencement en feuillet, qui donne le charbon ou le graphite utilisé communément dans les pointes de crayon. Il s’agit de l’agencement commun du carbone soumis à des conditions de pression et de température peu élevées ; |
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| * l’agencement en nanotube de carbone où les feuillets d’atomes se
referment sur eux-mêmes pour donner des tubes creux. Ces tubes, qui ne
se forment naturellement qu’en quantité infime, présentent des
caractéristiques très intéressantes qui dépendent de la taille du tube
et de sa longueur : grande résistance à l’étirement, conductivité,
absorption… ; * l’agencement en fullerène (ou buckeyballe) où les atomes de carbone s’ordonnent sous forme de ballon de football de 60 atomes. Ces fullerènes présentent des caractéristiques radicalement différentes des autres formes et pourraient constituer des vecteurs pour transporter des molécules emprisonnées en leur sein. |
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La modélisation informatique, indispensable pour l’étude des nanomatériaux
La taille des nanoéléments rend la modélisation
informatique indispensable pour l’étude de nouveaux matériaux. Ici un
nanotube de carbone.
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| Fluorescence de solutions de nanocristaux de tailles croissantes, excités par une même source UV à 365 nm. |  |
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Chromosomes humains
La fluorescence est une propriété déjà utilisée en
imagerie médicale et dont l’utilisation pourrait être largement
perfectionnée grâce aux nanotechnologies. Ici, la visualisation des
chromosomes humains rendus fluorescents.
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