Nanoparticules - Matériaux nanostructurés
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Les nanoparticules sont des nano-objets dont la taille est typiquement comprise entre 1 nm et 100 nm. Il existe des nanoparticules naturelles issues de combustions incomplètes. Par la suite, nous nous focaliserons sur les nanoparticules de synthèse, créées intentionnellement par l’Homme, dans le cadre de nanotechnologies.
Voir les nanoparticules ?
Il est intéressant de pouvoir observer les nanoparticules, par exemple pour vérifier la croissance de nanotubes de carbone lors de leur synthèse. D’autre part, l’image permet au non spécialiste de mieux comprendre ce que sont les nanoparticules.
Pour cela, il est fait appel à différents type de microscopie, selon l’échelle voulue :
• Microscope à effet tunnel dont la résolution peut être celle de l’atome (
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• Microscope à force atomique, utilisée par exemple à l’échelle de la molécule (nm).
• Microscope électronique à balayage pour des échelles micrométriques (visualisation de nanoparticules dans leur environnement).
Voir fiches « Visualiser expérimentalement des atomes et des molécules « et « Interférences photon par photon / particule par particule » pour plus d’informations.
Matériaux nanocomposites
Un matériau composite (voir fiche dédiée) est un matériau résultant de l’association de deux matériaux de natures très différentes. L’un est le renfort, dont le rôle est de constituer une ossature du matériau composite pour augmenter sa rigidité. L’autre est la matrice. Elle a plusieurs rôles, notamment de transmettre les efforts mécaniques au renfort, de le protéger des agressions extérieures, d’assurer la cohésion de l’ensemble, etc.
Les nanoparticules peuvent servir de renfort : on parle alors de matériaux nanocomposites. Ils sont dispersés dans la matrice. La finalité est que certaines des propriétés des nanoparticules influent sur le comportement macroscopique du matériau. Par exemple, les nanotubes de carbone sont connus pour leur grande solidité (100 fois plus résistants que l’acier), notamment selon l’axe du tube : des matériaux nanocomposites utilisant des nanotubes de carbone seraient de fait très résistants.
« Nanomatériaux énergétiques »
Référence : Clés CEA été 2005 : « Les nanomatériaux énergétiques : vers un bond technologique »
D’autres applications des nanoparticules sont également étudiées pour la fabrication d’explosifs ou propergols des fusées (carburant + comburant). L’explosif et le propergol sont composés d’un oxydant et d’un réducteur. Pour optimiser leur efficacité, il est important que l’oxydant et le réducteur réagissent ensemble le plus rapidement possible au moment de la détonation, via une réaction d’oxydo-réduction fortement exothemique. Si les réactifs ne sont pas totalement consommés lors du passage du « front de détonation » (ou « front de flamme »), l’efficacité s’en trouve réduite.
Pour cela, on cherche à maximiser la surface de contact initiale entre ces deux réactifs. Une solution est de confectionner des nanoparticules (sphériques par exemple) constituées avec le réactif réducteur, et de les disperser dans le matériau oxydant. Lorsque la réaction se produit (détonation), les nanoparticules de réducteur ont le temps de réagir complètement avec l’oxydant.
Le dioxyde de titane
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Sous l’effet d’un photon UV d’énergie suffisante (longueur d’onde
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Ces radicaux libres sont très réactifs chimiquement, et sont ainsi capables de réagir avec certains polluants atmosphériques (monoxyde d’azote, oxydes de soufre, etc), ce qui les neutralise, et avec des molécules organiques. Le dioxyde de titane est un photocatalyseur.
Béton autonettoyant
Une application de l’action photocatalytique est d’inclure des nanoparticules de
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Remarque : L’action photocatalytique n’est pas liée au fait que le
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Crèmes solaires
Il existe trois formes cristallines principales du dioxyde de titane : anatase, rutile et brookite. Les deux premières formes absorbent les UV et possèdent les propriétés photocatalytiques vues plus haut. Toutefois, les propriétés photocatalytiques sont moins marquées pour la forme rutile. Elle peut ainsi entrer dans la composition de crèmes solaires minérales.
Si le
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Les nanotubes de carbone permettent la création de nanobagues. Quand un nanotube de carbone est introduit en phase aqueuse, il est insoluble. En rajoutant des tensioactifs à la solution (voir fiche dédiée), les queues hydrophobes établissent des liaisons de Van der Waals avec le nanotube. En effet, comme il n’est composé que de carbone, il est nécessairement hydrophobe : il ne peut pas établir de liaisons hydrogène avec l’eau. Les têtes hydrophiles s’orientent vers la phase aqueuse. Il se forme alors un ensemble de nanobagues autour du nanotube.
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Dans la pratique, il a été observé que les nanobagues sont espacées les une des autres d’une distance voisine de 3 nm le long de l’axe du nanotube. Au sein d’une nanobague, les tensioactifs peuvent être liés ensemble par des réactions chimiques, par exemple de polymérisation induite par rayonnement UV. On parle de réticulation, c'est-à-dire qu’il y a création d’une structure cristalline par établissement de liaisons chimiques.
Au final, les nanobagues sont détachées du nanotube par application d’un champ électrique, lors d’une électrophorèse. En effet, les têtes hydrophiles sont polaires et sont donc sensibles au champ appliqué.
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Les nanobagues présentent des applications médicales, en tant que vecteur de médicaments. Plus précisément, la cavité de la nanobague peut recevoir une substance chimique hydrophobe (le médicament) qui est ainsi véhiculée en phase aqueuse par la nanobague. Il est même envisagé que la coque de celle-ci se défasse par dépolymérisation une fois la cible atteinte, libérant le médicament avec un maximum d’efficacité.
Les travailleurs œuvrant dans le domaine des nanotechnologies sont en première ligne, ce qui impose un suivi régulier, comme pour le personnel travaillant dans des zones à risques (nucléaire, chimique, etc.) et prendre certaines mesures : port d’un masque, zone de confinement … Exemple : pour le dioxyde de titane employé pour les bétons autonettoyants, il est craint qu’il y ait un risque pour les voies respiratoires des professionnels manipulant ces matériaux. Certains constructeurs préfèrent d’ailleurs l’usage de microparticules, nettement moins pénétrantes pour les tissus vivants si elles étaient relâchées dans l'air.
Puisque les produits nanocomposites piègent les nanoparticules dans leur structure (matrice), il n’y aurait à priori aucun contact entre les nanoparticules et le milieu extérieur. Par contre, en cas d’accident (brisure du matériau) ou d’un matériau usé, en fin de vie, rien ne garantit que des nanoparticules ne soient pas dispersées dans la nature. La littérature évoque quelquefois l’idée d’une « pollution nanométrique ». Clairement, la question d’un recyclage spécifique des matériaux nanostructurés se pose alors.
D’autre part, l’impact environnemental et biologique des nanoparticules est encore mal connu. Pour le vivant, y compris l’Homme, l’enjeu est d’une part de comprendre les conséquences de l’accumulation de nanoparticules dans un organisme vivant. D’autre part, il s’agit aussi de cerner les possibilités de l’organisme d’éliminer ces nanoparticules (action du système immunitaire ?).
Quelques exemples concrets d’applications des nanoparticules :
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• Les nanotubes de carbone permettent la confection de nanobagues. Ces dernières comportent une coque hydrophile et une cavité hydrophobe. Application potentielle : vectorisation de médicaments.
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