Les nanomatériaux sont de minuscules particules solides qui peuvent être formées naturellement, accidentellement ou être manufacturées. Leurs propriétés spéciales et diversifiées font qu’ils sont utilisés dans de nombreux produits et technologies.
Les propriétés des nanomatériaux se distinguent à bien des niveaux du même matériau en vrac (« bulk material »). En effet, les comportements et les propriétés des nanomatériaux ne dépendent pas uniquement de leurs compositions mais aussi de leurs tailles, leurs formes (cylindriques, sphériques, plaquettes, etc.), leurs états (particules libres, agrégats ou agglomérats ) et de leurs ratios superficie/volume qui sont particulièrement élevés. Les principales propriétés des nanomatériaux, telles que les propriétés optiques, mécaniques, électriques, magnétiques, catalytiques et hydrophobes, ainsi que les possibilités d'application qui en découlent, sont présentées ci-dessous.
Agrégats
Particule comprenant des particules fortement liées ou fusionnées où la surface externe résultante est significativement plus petite que la somme des surfaces des composants individuels.
Agglomérats
Collection de particules faiblement ou moyennement fortement liées où la surface externe résultante est similaire à la somme des surfaces des composants individuels.
Les nanomatériaux ont des propriétés optiques spéciales et peuvent interagir différemment que les matériaux en vrac quand ils sont exposés à la lumière, à des lasers ou à d’autres rayons électromagnétiques (UV, etc.). Les propriétés optiques d’un matériel sont définies par des processus tels que l’absorption, la transmission, la réflexion et l’émission de la lumière. Ces propriétés peuvent être modifiées en fonction de la forme, de la taille, de la fonctionnalisation des surfaces des nanoparticules mais aussi selon le milieu dans lequel elles se trouvent (matériau composite, milieu cellulaire, etc.).
Les nanoparticules d’or sous forme de colloïdes en suspension constituent un bon exemple. En effet, les nanoparticules d’or, en fonction de leur taille, apparaissent jaunes (2-5 nm), rouges (10-20 nm) ou violettes (>20 nm). Ces changements de couleurs sont réalisés par un effet de résonance qui est produit par l’interaction de la structure électronique externe de la nanoparticule avec une certaine longueur d’onde de la lumière (nommé Résonance plasmon de surface). Cette technologie se nomme la détection colorimétrique. Les propriétés optiques des nanomatériaux sont utilisées également dans d’autres domaines médicaux comme dans l’imagerie par fluorescence ou la thérapie photodynamique. Cette dernière est par exemple utilisée dans le traitement de certains cancers.
Néanmoins, les domaines d’application des nanomatériaux en fonction de leurs propriétés optiques ne se limitent pas à la médecine. En effet, ils sont également utilisés dans les processus de conversion de l’énergie solaire en énergie chimique ou électrique. En plus de leurs propriétés conductrices et semi-conductrices, les nanomatériaux peuvent permettre des économies en matière première (meilleure efficacité par surface) et permettre de fournir de plus grandes surfaces productives (panneaux solaires) et sur des substrats flexibles.
Enfin, les propriétés optiques des nanomatériaux sont également utilisées dans le domaine des lasers, de l’éclairage (lampe LED), des détecteurs optiques ou encore comme revêtement dans certains matériaux afin de filtrer certains rayonnements comme des couleurs ou de la chaleur.
Certaines nanoparticules confèrent des propriétés mécaniques, tel que sa résistance, sa dureté, son élasticité, sa résistance, sa ductilité, très intéressantes à certains matériaux ou produits. Les propriétés mécaniques font référence aux caractéristiques des matériaux dans différents environnements et sous diverses contraintes externes. Dans ce contexte, il est possible d’utiliser des nanomatériaux organiques ou inorganiques afin d’optimiser une ou plusieurs des propriétés mécaniques d’un matériau.
Les nanomatériaux organiques basés sur du carbone comprennent les nanotubes de carbone (CNT) (à parois simples ou multiples), les nanofils, le graphène, etc. Ils possèdent une résistance mécanique très élevée. Un nanotube de carbone, pris individuellement, a un module de Young très élevé (très forte résistance à la déformation) et il peut s’approcher de celui du diamant. Néanmoins, un fil composé d’une multitude de CNT aura une grande flexibilité due aux interactions de Van der Waals. Les CNT sont non seulement très résistants mais également flexibles.
Les nanomatériaux inorganiques sont par exemple composés d’oxydes de métaux de transition, de nanoparticules d’argent, d’or, de ferrite ou de nanostructures à base de silicium. Quand certains nanomatériaux à base de zinc ou de nanofils de zinc sont intégrés dans différents substrats (p.ex. verre borosilicaté, quartz, etc.), leur résistance mécanique est grandement augmentée. Dans les matériaux composés des nanostructures à base de silicium, différentes propriétés mécaniques peuvent être influencées comme l’élasticité du matériel, sa résistance à la rupture, sa rigidification ou son assouplissement.
Dans certains matériaux comme le béton, l’ajout de nanoparticules d’oxyde de silicium (SiO2) augmente par exemple sa résistance (compression, flexion, traction) mais modifie aussi d’autres propriétés comme le temps de prise, l'affaissement et la durabilité. Ces propriétés sont principalement influencées par l’effet de ces nanoparticules sur les réactions et le degré d’hydratation du ciment ainsi que par la formation de microstructures plus compactes.
Enfin, les nanoparticules sont également utilisées dans certains matériaux composites biologiques ou dans des polymères. Ces matériaux sont alors nommés nanocomposites. Ils servent notamment à assurer une résistance supérieure aux fibres et films plastiques mais peuvent également améliorer d’autres propriétés non-mécaniques (protection contre les UVs, matériaux ignifuges, revêtements anticorrosifs, etc.).
Les nanomatériaux magnétiques sont généralement composés d’un élément magnétisable comme le fer, le nickel, le cobalt, le chrome, le manganèse ou encore le gadolinium. Une des particularités des nanoparticules est l’effet de superparamagnétisme induit par leurs faibles tailles. Dans le domaine des nanoparticules, le superparamagnétisme définit une particule qui devient magnétique sous l’influence d’un champs magnétique externe mais qui revient à un état non-magnétique lorsqu’elle ne se trouve plus dans le champ magnétique (à l’inverse du ferromagnétisme). Cette propriété est utilisée dans divers domaines médicaux comme dans des applications thérapeutiques, afin de détruire par hyperthermie des cellules cancéreuses mais aussi dans l’administration de médicaments dans les tissus cibles ou encore dans certaines techniques d’imagerie médicale (Résonance Magnétique Nucléaire).
Les applications des nanoparticules et de leurs propriétés magnétiques sont très vastes. En effet, elles sont par exemples utilisées dans les supports de stockage d’information, dans le domaine de la préparation d’échantillons en chimie analytique (p.ex. isolation et pré-concentration des analytes), dans les techniques de fluorescence (p.ex. imagerie cellulaire) ou sont p.ex. utilisées pour l’assainissement de sites contaminés (p.ex. comme sorbant pour les métaux lourds).
Dans la nature, il existe également des nanoparticules magnétiques comme dans les rochers où elles pouvaient servir à déterminer le champ magnétique terrestre. D’ailleurs, certaines bactéries sont pourvues d’un nano-aimant afin de s’aligner au champ magnétique terrestre. Certains animaux, comme les oiseaux sont pourvu de nanoparticules dans leur bec qui sont également sensibles au champ magnétique terrestre et leur permettent de s’orienter.
Les propriétés électriques d’un matériau se caractérisent par sa conductivité (définie par la quantité de charge électrique transférée par unité de temps) et sa résistivité électrique (l’inverse de la conductivité). En fonction de leur résistivité électrique, les matériaux peuvent être classés dans la catégorie des matériaux métalliques, des semi-conducteurs ou des isolants.
Les nanotubes de carbone (CNT) en sont un bon exemple car leurs capacités conductrices dépendent de la manière dont sont agencées les différentes unités d’hexagones. Quand ces dernières sont orientées en « chaise » le long du tube, ils conduisent alors le courant électrique encore plus aisément que le cuivre. En revanche, quand les CNT sont constitués d’hexagones liés en « zig-zag » ou de façon « chirale », alors ils se comportent comme des semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont par exemple utilisés comme transistors dans les appareils électroniques comme les ordinateurs ou les détecteurs de gaz. Les capacités conductrices des CNT proviennent de la délocalisation des électrons rendues possibles par les doubles liaisons carbones (liaisons pi). Les capacités conductrices peuvent être modifiées par la liaison d’autres molécules à ces nanotubes.
Les nanomatériaux à base de métaux tel que l’or, l’argent, certains oxydes de cobalt ou encore certains autres alliages et composites, ont des propriétés très intéressantes non seulement en ce qui concerne la conductivité électrique mais aussi thermique. Ce domaine de recherche est important pour la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique, et inversement, par exemple à des fins de production énergétique et de réfrigération. Dans ce cadre-là, les groupes de recherche travaillent sur des nanomatériaux et des composites contenant des nanomatériaux à base de silicium, de tellurure de bismuth, de skuttérudite binaire et d’argent. Certains matériaux dits « thermoélectriques » permettraient par exemple d’améliorer la production électrique et la revalorisation énergétique lors de l’incinération des déchets.
Les nanomatériaux pourraient également améliorer les capacités de stockage de l’électricité en améliorant différentes propriétés des batteries. En effet, l’utilisation de certains nanomatériaux pourraient améliorer les batteries au lithium par une densité de puissance accrue (puissance en fonction de la masse), une réduction du risque incendie ou encore l’augmentation de la vitesse de recharge/décharge. Ces nanomatériaux pourraient par exemple augmenter l’efficacité des véhicules électriques ou hybrides.
Les nanomatériaux ont différentes propriétés permettant d’augmenter la vitesse, le rendement ou encore la stéréosélectivité d’une réaction chimique. Ce domaine de recherche et d’application industrielle se nomme la nanocatalyse. Les principales propriétés catalytiques des nanomatériaux proviennent des effets de surface et des effets quantiques de ces derniers. Les effets de surface s’expliquent par le fait que la surface spécifique par unité de volume des nanomatériaux est beaucoup plus élevée. Cette propriété permet au nanocatalyseur d’interagir davantage avec les molécules les environnantes qu’un catalyseur classique. La réactivité accrue des nanocatalyseurs s’expliquent également par des effets quantiques induits par leur taille. Ce phénomène résulte du confinement des électrons dans des particules de dimensions inférieures à celles de leur contrepartie en vrac. Au fur et à mesure que la taille des particules diminue, la surface spécifique augmente et un effet quantique apparaît, ce qui entraîne de profonds changements dans les propriétés des matériaux.
Ces nanocatalyseurs sont utilisés dans une multitude de domaines de l’industrie du pétrole ou de la pharmaceutique et peuvent être facilement séparés et recyclés. Un exemple parlant est l’or. Ce métal précieux est quasiment inerte sous sa forme macroscopique. Néanmoins, sous forme nanométrique, il devient un catalyseur très efficace dans la lutte contre la pollution de l’air et pour les contrôles de la qualité de l’air (purification de l’air, sondes de monitoring), dans les piles à combustible fonctionnant à l'hydrogène ou encore pour la synthèse d’additifs alimentaires comme l’acide gluconique.
Enfin, certaines nanoparticules ont des propriétés photocatalytiques qui peuvent être utilisées pour assainir l’environnement de polluants ou de déchets dangereux. Ces processus sont rendus possible grâce à l’utilisation de semi-conducteurs composés d’oxydes de métaux comme le dioxyde de titanium (TiO2). Ces nanomatériaux facilitent la minéralisation (oxydation) de certains polluants comme les hydrocarbures aliphatiques ou aromatiques chlorés en d’autres molécules moins ou pas toxiques pour l’environnement.
L’hydrophobicité ou l’hydrophilie d’un matériau naturel ou artificiel est définie en fonction de l’angle que forme une goutte d’eau à la surface de celui-ci. Cet angle définit si le matériau va être mouillé ou pas au contact de l’eau. Quand l’angle que forme une goutte d’eau avec un matériau est supérieur à 90°, le matériau n’est pas mouillé et il est alors défini comme étant hydrophobe. Quand l’angle formé entre la goutte d’eau et le matériau est inférieur à 90°, l’eau se répand alors sur la surface et elle est caractérisée comme étant hydrophile.
Certains nanomatériaux naturels ou artificiels ont des qualités superhydrophobes. Cela signifie qu’une goutte d’eau forme un angle supérieur à 150°, ce qui lui permet de ruisseler très facilement sur une surface composée de tels nanomatériaux. Les matériaux superhydrophobes sont étudiés et utilisés pour leurs propriétés antisalissures et autonettoyantes sur les surfaces des bâtiments, dans les gazoducs pour protéger de la corrosion ou encore dans les dispositifs techniques à microfluides (p.ex. pour les systèmes médicaux).
