Nanomatériaux: Des voies innovantes pour la conception de matériaux avancés et des solutions durables

Par Fouad Sabry

Nanomatériaux-Introduction au concept des nanomatériaux, à leurs propriétés et à leurs applications dans divers secteurs industriels.

Impact des nanotechnologies-Examen de l’impact généralisé des nanotechnologies sur la technologie, l’industrie et la société.

Nanotechnologies vertes-Exploration d’applications nanotechnologiques respectueuses de l’environnement qui favorisent la durabilité et réduisent les dommages environnementaux.

Toxicologie des nanomatériaux de carbone-Examen des préoccupations en matière de sécurité liées aux nanomatériaux à base de carbone et de leurs risques potentiels pour la santé.

Nanotechnologie moléculaire-Aperçu de l’ingénierie à l’échelle moléculaire et du potentiel des machines et dispositifs moléculaires.

Nanochimie-Intersection entre nanotechnologie et chimie, mettant en évidence les propriétés et réactions chimiques permettant la création de nanomatériaux.

Auto-assemblage des nanoparticules-Aperçu des processus par lesquels les nanoparticules s’organisent spontanément en structures, un aspect clé du développement des nanomatériaux.

Nanométrologie-Introduction aux techniques de mesure essentielles à la caractérisation des matériaux et structures nanométriques.

Caractérisation des nanoparticules-Méthodes et techniques utilisées pour l’identification et l’analyse des nanoparticules dans la recherche et les applications industrielles.

Nanostructure-Examen des différents types de nanostructures et de leurs applications technologiques, de l’électronique aux systèmes d’administration de médicaments.

Risques pour la santé et la sécurité des nanomatériaux-Discussion sur les risques pour la santé et les mesures de sécurité nécessaires lors de la manipulation des nanomatériaux, tant en recherche qu’en industrie.

Nanoremédiation-Focus sur l’utilisation des nanotechnologies pour dépolluer et améliorer les conditions environnementales.

Nanoparticules-Étude des nanoparticules, de leur synthèse, de leurs propriétés et de leurs applications dans divers domaines, notamment la médecine et l’électronique.

Nanocomposites-Exploration des nanocomposites et de leurs propriétés améliorées, qui les rendent essentiels à un large éventail d’applications.

Moteur plasmonique nanométrique-Discussion sur le développement de moteurs plasmoniques à l’échelle nanométrique et leur potentiel révolutionnaire dans divers secteurs.

Pollution par les nanomatériaux-Aperçu des défis environnementaux posés par les nanomatériaux et stratégies pour atténuer la pollution.

Nanoparticules de dioxyde de titane-Regard sur l’utilisation des nanoparticules de dioxyde de titane dans des produits comme les crèmes solaires et leur rôle en nanotechnologie.

Nanotechnologies-Aperçu plus large de l’évolution, de l’état actuel et des perspectives d’avenir des nanotechnologies dans divers secteurs.

Nanotechnologie pour la purification de l'eau-Exploration de la manière dont la nanotechnologie peut révolutionner les processus de purification de l'eau et garantir une eau potable saine.

Nanotoxicologie-Étude des effets toxicologiques des nanoparticules sur les systèmes biologiques et l'environnement.

Nanocomposites polymères-Comprendre l'intégration des nanomatériaux dans les polymères pour créer des matériaux avancés aux propriétés uniques.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 17 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Nanomatériaux

En général, une unité d'un matériau est considérée comme un nanomatériau si elle a une taille comprise entre 1 et 100 nanomètres (nm) dans au moins une dimension (la définition habituelle de l'échelle nanométrique).

La recherche sur les nanomatériaux utilise une approche de la nanotechnologie fondée sur la science des matériaux. Cette méthode capitalise sur les percées en métrologie et en synthèse des matériaux qui ont été établies à l'appui de la recherche sur la microfabrication. Les matériaux qui présentent une structure à l'échelle nanométrique ont souvent des qualités uniques dans les domaines optique, électrique, thermophysique ou mécanique.

Dans l'ISO/TS 80004, le terme « nanomatériau » est défini comme « matériau ayant une dimension extérieure quelconque à l'échelle nanométrique ou ayant une structure interne ou une structure de surface à l'échelle nanométrique ». Le terme « échelle nanométrique » fait référence à une gamme de longueurs qui est « approximativement de 1 nm à 100 nm ». Cela inclut les matériaux nanostructurés, qui ont une structure interne ou de surface à l'échelle nanométrique, ainsi que les nanoobjets, qui sont des morceaux de matériau distincts ; Un nanomatériau peut appartenir à ces deux groupes.

Les nanomatériaux qui ont été conçus et fabriqués exprès par l'homme afin de répondre à certaines exigences concernant leurs qualités.

La combustion et la vaporisation sont deux processus qui peuvent, accidentellement et à la suite d'opérations mécaniques ou industrielles, aboutir à la production de nanomatériaux. La fusion, les gaz de soudage, les processus de combustion des combustibles solides domestiques, le chauffage et la cuisson sont autant de sources potentielles de nanoparticules accidentelles. D'autres sources potentielles incluent les échappements des moteurs automobiles. Par exemple, la combustion d'un gaz, d'une biomasse ou d'une bougie peut entraîner la production d'une catégorie de nanomatériaux appelés fullerènes.

Les nanomatériaux à la fois naturels et utiles se retrouvent souvent dans les systèmes biologiques. Des nanomatériaux organiques naturels peuvent être trouvés dans la structure des foraminifères (principalement de la craie), des virus (protéines, capside), des cristaux de cire recouvrant une feuille de lotus ou de capucine, de la soie d'araignée et d'araignée-acarien, les « spatules » au bas des pieds de gecko, certaines écailles d'ailes de papillon, des colloïdes naturels (lait, sang), des matériaux cornés (peau, griffes, becs, plumes, cornes, cheveux), du papier, de la croûte terrestre. nanomatériaux inorganiques naturels. Par exemple, les argiles ont des nanostructures complexes parce que la structure cristalline sous-jacente a une anisotropie, et l'activité volcanique peut donner naissance à des opales, qui sont des exemples de cristaux photoniques naturels en raison de la structure à l'échelle nanométrique des opales. Les incendies sont des réactions particulièrement compliquées qui peuvent entraîner la production de pigments, de ciment et de silice fumée, entre autres produits.

Les produits de combustion, les incendies de forêt, les cendres volcaniques, les embruns océaniques et la désintégration radioactive du radon sont tous des sources naturelles de nanoparticules. De plus, les nanomatériaux naturels peuvent être produits par les processus d'altération des roches contenant des métaux ou des anions, ainsi que dans les endroits où se produit le drainage minier acide.

Nanoparticules naturelles disposées dans une galerie

Capside virale

« Effet Lotus », un effet hydrophobe qui a également la capacité de se nettoyer.

Gros plan du dessous de la patte d'un gecko marchant sur une paroi de verre (spatule : 200 × 10-15 nm)

Micrographie MEB à l'échelle d'une aile de papillon (× 5000)

Une plume d'un paon (détail)

Opale Cristal Brésilien. L'interférence et la diffraction de la lumière générées par la présence de sphères de silice sont à l'origine de l'arc-en-ciel de couleurs (150 à 300 nm de diamètre).

Teinte bleue d'une espèce de tarentule (450 nm ± 20 nm)

Lorsque l'on tente de classer des nano-objets, il est courant de considérer combien de leurs dimensions se trouvent à l'échelle nanométrique. Il est possible de décrire une nanoparticule comme un nano-objet qui a ses trois dimensions extérieures à l'intérieur de l'échelle nanométrique et dont les axes les plus longs et les plus courts ne varient pas substantiellement les uns des autres. À l'échelle nanométrique, une dimension extérieure d'une nanofibre se compose de deux dimensions internes, les nanotubes représentant les nanofibres solides et les nanotiges représentant les nanofibres creuses. L'une des dimensions extérieures d'une nanoplaque ou d'une nanofeuille est mesurée à l'échelle nanométrique.

Il existe des sous-ensembles de matériaux microporeux et mésoporeux qui sont inclus dans la catégorie des matériaux nanoporeux. Les matériaux sont considérés comme microporeux si la taille moyenne de leurs pores est inférieure à 2 nanomètres, tandis que les matériaux sont considérés comme mésoporeux si leur taille moyenne de pores est comprise entre 2 et 50 nanomètres.

À l'échelle nanométrique, les nanoparticules ont les trois dimensions simultanément. Afin de créer un nanocomposite, les nanoparticules peuvent également être encapsulées à l'intérieur d'un solide en vrac.

Les fullerènes sont une famille d'allotropes de carbone qui, théoriquement, sont des feuilles de graphène enroulées dans des tubes ou des sphères. Les fullerènes peuvent être trouvés dans la nature. Il s'agit notamment des nanotubes de carbone, également connus sous le nom de nanotubes de silicium, qui sont intéressants non seulement en raison de leur résistance mécanique élevée, mais aussi en raison des qualités électriques qu'ils possèdent.

La molécule de fullerène qui a été découverte pour la première fois, et l'ancêtre du nom de famille, le buckminsterfullerène (C60), les travaux de Richard Smalley à ce sujet, qui remontent à 1985, Robert Curl, Pour citer James Heath :

C'est moi, Sean O'Brien, en plus de Harold Kroto de l'Université Rice.

Buckminster Fuller a été honoré par l'utilisation de ce nom.

dont il semble s'être inspiré des dômes géodésiques.

Depuis lors, il a été découvert que les fullerènes sont présents dans le monde naturel.

Dans le domaine de la recherche et du développement, les caractéristiques chimiques et physiques des fullerènes ont été une question brûlante au cours de la dernière décennie, et on s'attend à ce que cela continue d'être le cas pendant longtemps à l'avenir. En avril 2003, des fullerènes étaient à l'étude pour des applications possibles en médecine. Ces applications comprenaient la liaison de certains médicaments à la structure de bactéries résistantes aux antibiotiques et le ciblage de types particuliers de cellules cancéreuses, telles que les cellules de mélanome. Un article décrivant l'utilisation des fullerènes comme agents antibactériens activés par la lumière se trouve dans le numéro de Chemistry and Biology publié en octobre 2005. Dans le domaine des nanotechnologies, des caractéristiques telles que la résistance à la chaleur et la supraconductivité font partie de celles qui retiennent beaucoup d'attention de la part des chercheurs.

L'envoi d'un courant significatif entre deux électrodes de graphite proches en présence d'un environnement inerte est l'une des approches les plus populaires de la production de fullerènes. L'arc plasma de carbone qui est produit en conséquence se refroidit entre les électrodes, laissant derrière lui un résidu de suie à partir duquel un nombre important de fullerènes peuvent être extraits.

Les méthodes quantiques ab initio ont été utilisées pour les fullerènes dans un grand nombre de calculs différents qui ont été effectués. Les spectres IR, Raman et UV peuvent tous être obtenus via l'utilisation des méthodologies DFT et TDDFT. Les résultats de ces types de calculs peuvent être comparés aux résultats des expériences.

En raison des caractéristiques optiques et électriques fascinantes qu'ils possèdent, les nanomatériaux inorganiques, tels que les points quantiques, les nanofils et les nanotiges, pourraient potentiellement être utilisés en optoélectronique. De plus, les caractéristiques optiques et électriques des nanomatériaux, qui dépendent de leur taille et de leur forme, peuvent être modifiées à l'aide d'approches synthétiques. En effet, leur taille et leur forme déterminent leur comportement. L'application de ces matériaux dans des dispositifs optoélectroniques à base de matériaux organiques tels que des cellules solaires organiques, des diodes électroluminescentes organiques et d'autres dispositifs similaires est une possibilité. Ces types de dispositifs sont contrôlés par des processus photoinduits, notamment le transfert d'électrons et le transfert d'énergie, qui dictent leurs modes de fonctionnement fondamentaux. L'efficacité du processus photoinduit responsable du fonctionnement des appareils est directement proportionnelle à celle des performances des appareils. Par conséquent, afin de les utiliser dans des dispositifs optoélectroniques, une plus grande connaissance de ces processus photoinduits dans les systèmes composites de nanomatériaux organiques/inorganiques est nécessaire.

En raison de leurs caractéristiques mécaniques, électriques, magnétiques, optiques, chimiques et autres, les nanoparticules et les nanocristaux formés de métaux, de semi-conducteurs ou d'oxydes présentent un intérêt particulier. Ces qualités comprennent :

Parce qu'elles peuvent servir efficacement de pont entre les matériaux en vrac et les structures atomiques ou moléculaires, les nanoparticules font aujourd'hui l'objet de nombreuses recherches dans la communauté scientifique. On s'attend à ce que les caractéristiques physiques d'un matériau en vrac restent les mêmes quelle que soit la taille de la substance, mais à l'échelle nanométrique, ce n'est pas toujours le cas. Des caractéristiques dépendantes de la taille sont trouvées, telles que le confinement quantique dans les particules semi-conductrices, la résonance plasmonique de surface dans certaines particules métalliques et le superparamagnétisme dans les matériaux magnétiques.

Par rapport aux matériaux en vrac, les nanoparticules ont une variété de caractéristiques qui leur sont propres. À titre d'exemple, la flexion du cuivre en vrac (fil, ruban, etc.) est causée par le mouvement des atomes et des grappes de cuivre d'une taille d'environ 50 nanomètres. Les nanoparticules de cuivre d'une taille inférieure à 50 nm sont considérées comme des matériaux très durs car elles n'ont pas le même degré de malléabilité et de ductilité que le cuivre en vrac. Le changement d'attributs n'est pas nécessairement quelque chose qui devrait être souhaité. Les matériaux ferroélectriques de dimensions inférieures à 10 nanomètres sont capables d'inverser la direction de leur polarisation lorsqu'ils sont chauffés à température ambiante, ce qui les rend impropres à une utilisation comme stockage de mémoire. L'interaction de la surface de la particule avec le solvant est suffisamment forte pour surmonter les différences de densité, qui entraîneraient normalement l'enfoncement ou la flottaison d'un matériau dans un liquide. Cela permet aux nanoparticules d'être en suspension dans des solutions parce qu'elles peuvent interagir très fortement avec leur environnement. Comme les nanoparticules sont si minuscules, leurs électrons peuvent être confinés, ce qui entraîne des effets quantiques. Ces effets quantiques peuvent souvent produire des caractéristiques visuelles inattendues. Par exemple, l'apparence des nanoparticules d'or en solution varie du rouge foncé au noir.

Parce que les nanoparticules ont souvent un rapport surface/volume très élevé, elles offrent une grande force de poussée pour la diffusion, ce qui est particulièrement perceptible lorsque la température est élevée. Lorsqu'il s'agit de particules de plus petite taille, le processus de frittage peut être effectué à des températures plus basses et pendant une durée plus courte. Théoriquement, cela n'a pas d'effet sur la densité du produit final ; Néanmoins, le fait que les nanoparticules aient une propension à s'agglomérer et les problèmes d'écoulement exacerbent la situation. Les impacts de surface des nanoparticules ont également pour effet d'abaisser la température à laquelle la fusion commence.

Dans le confinement cylindrique, il est possible de créer des fils cristallins avec les sections transversales les plus minuscules imaginables, qui peuvent être aussi minces qu'un seul atome.

Les substances cristallines sont appelées matériaux 2D, et elles ont une seule couche d'atomes qui couvre les deux dimensions. En 2004, des scientifiques ont fait la découverte du graphène représentatif le plus important. Les nanostructures sont considérées comme des films minces d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre ; Néanmoins, les couches minces ne sont pas toujours considérées comme des nanomatériaux en raison du fait qu'elles n'existent pas indépendamment du substrat.

Les caractéristiques à l'échelle nanométrique peuvent être trouvées dans certains matériaux en vrac, tels que les nanocomposites, les matériaux nanocristallins, les films nanostructurés et les surfaces nanotexturées. Suite au clivage mécanique du graphite pyrolytique, la nanostructure BSG a été découverte. Cette nanostructure est un système multicouche composé de nanocanaux creux parallèles avec des sections transversales quadrangulaires qui sont positionnés le long de la surface. L'épaisseur des parois du canal est d'environ 1 nanomètre (nm) dans la même mesure. Environ 25 nanomètres est la largeur moyenne des facettes du canal.

Les peintures, les filtres, les isolants et les additifs pour lubrifiants sont quelques-uns des nombreux produits et processus industriels qui utilisent des nanomatériaux. D'autres applications incluent les soins de santé. Les nanozymes sont des nanomatériaux qui ont des propriétés enzymatiques et sont utilisés dans l'industrie de la santé. L'objectif fondamental des supports est qu'ils peuvent être utilisés pour transporter les composants actifs des catalyseurs, ce qui permet à ces composants d'être largement distribués, de réduire la quantité de métaux nobles utilisés, d'augmenter l'activité des catalyseurs et d'améliorer la résistance mécanique.

Tout procédé de synthèse pour la production de nanomatériaux devrait avoir pour objectif final la production d'une substance dont les qualités sont la conséquence directe de leur échelle de longueur caractéristique comprise dans la gamme nanométrique (de un à cent nm). Par conséquent, l'approche synthétique devrait démontrer le contrôle de la taille à l'intérieur de cette plage de sorte qu'une propriété ou une autre puisse être atteinte. Il est courant de classer les méthodologies en deux catégories principales : « ascendante » et « descendante ».

La construction de réseaux nanostructurés de bas en haut nécessite l'assemblage d'atomes ou de molécules individuels. Les sources de matières premières utilisées dans ces processus peuvent prendre la forme de gaz, de liquides ou de solides. Avant de pouvoir être inclus dans une nanostructure, ces dernières doivent d'abord passer par une sorte de processus de désassemblage. Les méthodes qui partent de bas en haut tombent souvent dans l'une des deux catégories suivantes : réglementées ou anarchiques.

Dans les processus chaotiques, les atomes ou les molécules individuels qui composent le système sont d'abord amenés à un état chaotique, puis les circonstances environnantes sont brusquement modifiées de manière à rendre cet état instable. En grande partie, la formation des produits est due à la cinétique d'assurance, qui peut être manipulée habilement afin d'influencer un certain nombre de caractéristiques. Il peut être difficile, voire impossible, d'exercer un contrôle sur la transition de l'état chaotique et, par conséquent, la distribution de taille et la taille moyenne produites sont souvent déterminées par les statistiques d'ensemble. Par conséquent, la création de nanoparticules peut être gérée en manipulant l'état final des produits. L'ablation au laser et d'autres procédures impliquant la synthèse par précipitation sont deux exemples de processus chaotiques.

Les procédures contrôlées impliquent la livraison contrôlée des atomes ou des molécules constitutifs au(x) site(s) de formation des nanoparticules afin de permettre à la nanoparticule d'atteindre une taille définie de manière contrôlée. Cela permet à la nanoparticule d'être utilisée dans une variété d'applications. Dans la plupart des cas, les états des atomes ou des molécules qui composent les nanoparticules constitutives sont rarement très éloignés de ceux nécessaires à leur synthèse. Par conséquent, la gestion de l'état des réactifs est nécessaire afin d'exercer un contrôle sur la création de nanoparticules. Parmi les exemples de procédés régulés, citons les méthodes laser femtoseconde à impulsions façonnées, le dépôt chimique en phase vapeur auto-limitant, les techniques laser femtoseconde à impulsions façonnées, l'épitaxie par faisceau moléculaire et les solutions de croissance chimique auto-limitantes.

Lors de la décomposition de matériaux en vrac en nanoparticules, les approches descendantes utilisent une sorte de « force », telle que la force mécanique ou l'énergie laser. Le « broyage à billes » est une technique courante qui utilise des moyens mécaniques pour fragmenter de grandes quantités de matériaux en nanomatériaux. De plus, les nanoparticules peuvent être produites par un processus connu sous le nom d'ablation laser, qui consiste à vaporiser une cible à l'aide de lasers à impulsions courtes (tels que les lasers femtosecondes) (solides).

Lorsque des structures sont produites avec des tailles correspondant à l'une des nombreuses échelles de longueur imaginables, telles que la longueur d'onde Broglie des électrons ou les longueurs d'onde optiques des photons de haute énergie, de nouveaux phénomènes peuvent se produire dans les matériaux. Deux exemples de ces types d'échelles de longueur sont décrits ci-dessous. Dans ces circonstances, les phénomènes de mécanique quantique peuvent avoir une plus grande influence sur les caractéristiques du matériau. L'enfermement quantique en est un exemple. Ce phénomène décrit comment les caractéristiques électriques des solides peuvent être modifiées en diminuant considérablement la taille des particules. De plus, les caractéristiques optiques des nanoparticules, telles que la fluorescence, deviennent fonction du diamètre de la particule à mesure que la taille des particules diminue. Cet impact n'est pas visible lorsque l'échelle est réduite de macroscopique à micromètre, mais il est perceptible lorsque l'échelle est réduite au nanomètre.

La recherche dans le domaine de la nanomécanique se concentre non seulement sur les caractéristiques optiques et électriques des nanoparticules, mais aussi sur les nouvelles qualités mécaniques que présentent de nombreux nanomatériaux. Lorsqu'elles sont introduites dans un matériau en vrac, les nanoparticules ont le potentiel d'avoir un impact significatif sur les caractéristiques mécaniques de la substance, telles que le degré de rigidité ou d'élasticité du matériau. Par exemple, les polymères conventionnels peuvent être enrichis de nanoparticules (telles que des nanotubes de carbone), ce qui permet de créer de nouveaux matériaux capables de servir de substituts légers aux métaux. Ces matériaux composites pourraient offrir une diminution du poids en plus d'une augmentation de la stabilité et d'une amélioration de la capacité