Les connaissances en nanotechnologies

Les nanomatériaux sont de minuscules particules et surfaces utilisées dans nombre de produits et technologies. On n’en connaît pas tous les effets physiques et biologiques, mais on développe sans cesse de nouvelles connaissances. 

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Les matériaux macroscopiques possèdent, indépendamment de leur masse, des propriétés physico-chimiques constantes. Pour les nanomatériaux, ce sont au contraire les propriétés liées au volume et à la surface qui sont déterminantes.

Les nanomatériaux peuvent présenter d’autres propriétés

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© Fotolia / Elena Pankova

Les nanomatériaux peuvent présenter des propriétés modifiées par rapport aux matériaux macroscopiques. Leur surface spécifique est bien plus grande. Comme la capacité de réagir chimiquement dépend de la surface, les nanomatériaux ont une plus forte réactivité que les matériaux macroscopiques. Cette capacité d’accélérer les réactions chimiques est utilisée dans les processus technologiques (p. ex., catalyseurs, piles et accumulateurs, matériaux de construction, matériaux filtrants). Les catalyseurs nanostructurés contribuent à réduire la consommation d’énergie et les déchets de production dans les processus industriels.

Dans le cas des particules de la taille de quelques nanomètres, on observe aussi des effets dits quantiques. Dans les petites nanoparticules, les électrons ne possèdent plus que certains niveaux d’énergie. Des particules de taille identique ont alors un comportement comparable à celui de certains atomes ou molécules. De telles propriétés jouent un rôle important dans des applications en électronique, optique et chimie.

Les nanotechnologies n’utilisent souvent pas de nanomatériaux libres. Les propriétés des surfaces peuvent être modifiées de manière ciblée à l’aide de structures ou revêtements d’épaisseur nanométrique – que ce soit en électronique, optique, chimie ou médecine. Les matériaux composites sont nanostructurés pour augmenter leur stabilité et leur fonctionnalité, de même que réduire leur poids. Cela permet d’économiser des ressources lors de la fabrication et de renforcer l’efficacité énergétique dans le cadre de l’application.

Rendre les nanomatériaux visibles

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La lumière visible possède une longueur d’onde de l’ordre de quelques centaines de nanomètres (nm). En dehors du spectre visible, on trouve d’autres rayonnements électromagnétiques :

  • longueurs d’onde de 10 à 380 nm : rayonnement ultraviolet (UV)
  • longueurs d’onde de 380 à 780 nm : lumière visible
  • longueurs d’onde supérieures à 780 nm : rayonnement infrarouge

Les nanomatériaux sont donc plus petits que les longueurs d’onde de la lumière visible. C’est la raison pour laquelle ils ne sont pas visibles avec un microscope traditionnel. Ils peuvent cependant être rendus visibles par l’utilisation de certains effets de diffusion (diffusion de Rayleigh) de la lumière laser.

Les microscopes électroniques, dont le rayonnement électronique possède une longueur d’onde beaucoup plus petite que celle de la lumière visible, peuvent eux aussi rendre visibles les nanomatériaux les plus petits.

Effets d’interférence

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Lorsqu’on superpose de façon très précise des couches de matériaux d’épaisseur nanométrique qui réfractent plus ou moins la lumière, des effets dit d’interférence ont lieu. La lumière incidente peut être supprimée lorsqu’elle se superpose à la lumière réfléchie. Selon l’épaisseur de la couche, ce sont différentes longueurs d’onde lumineuses qui sont influencées et font apparaître des colorations.

De cette manière, on peut fabriquer des filtres de couleur, des miroirs et des prismes particuliers. Ainsi, les réflecteurs de verre avec revêtement nanoscopique des lampes halogènes ne réfléchissent que le domaine visible de la lumière, mais laisse passer le rayonnement thermique.

Le verre d’une vitre revêtu d’une couche spéciale peut réfléchir la chaleur et protéger ainsi les locaux intérieurs, tout en laissant passer la lumière.

Protection de la peau par une grandeur de particule convenable

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© Fotolia / BillionPhotos.com

Le dioxyde de titane nanoscopique est utilisé comme filtre UV dans des crèmes solaires. Il absorbe la lumière ultraviolette alors qu’il est transparent pour la lumière visible en raison de la faible taille de ses particules. La crème solaire paraît donc transparente à l’œil humain. Dans cette fonction, le nanomatériau remplace des substances synthétiques qui filtrent les UV et possèdent souvent des propriétés chimiques problématiques pour l’être humain et l’environnement. Le dioxyde de titane macroscopique est par exemple utilisé comme pigment blanc dans les peintures murales. Contrairement à la forme nanoscopique, il réfléchit toute la lumière visible.

Effet lotus hydrophobe

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Lorsque des surfaces sont revêtues avec une couche tridimensionnelle à structure fine comme des billes de cire ou de silicone, elles ne peuvent quasiment plus être mouillées. L’eau perle et enlève les particules de saleté, ce qui permet d’utiliser moins de produit de nettoyage. Cet « effet lotus » est utilisé dans les couches antibuée sur les vitres et les miroirs, de même que dans les textiles hydrofuges et anti-salissures. L’effet lotus n’est pas nécessairement nanoscopique et peut déjà apparaître pour des structures de surface plus grossières, de l’ordre de 20 micromètres.

Utilisation de la photocatalyse

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© Fotolia / Tiberius Gracchus

Le dioxyde de titane (en particulier sa forme cristalline appelée anatase) est un matériau semi-conducteur qui devient conducteur lors de son exposition au rayonnement UV. Dans le réseau cristallin, des paires d’électron-trou sont formées par le rayonnement UV. Dans cet état, le dioxyde de titane est très réactif ; il peut donc être extrêmement hydrophile et oxydant.

Une couche de dioxyde de titane peut ainsi être utilisée pour des surfaces, des revêtements et des peintures autonettoyants : les particules de saleté sont lentement dégradées par le dioxyde de titane, qui est activé par la lumière solaire, ce qui permet de réduire l’utilisation de produits chimiques problématiques. Pour d’autres applications, comme les crèmes solaires, le dioxyde de titane est recouvert d’une couche de protection non réactive afin d’absorber la lumière ultraviolette et éviter les effets photocatalytiques.

Transporter directement les médicaments jusqu’au site d’action

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La médecine tente d’exploiter la faculté des nanoparticules de passer à travers les barrières du corps. Cela doit permettre d’amener les principes actifs de manière plus ciblée jusqu’au site d’action et de contourner les mécanismes de défense du corps qui les détruiraient. Si des principes actifs pharmaceutiques sont emballés dans des nanomatériaux et que leur enveloppe est « adressée » avec des molécules protéiques ou d’acide nucléique, ils sont transportés jusqu’à l’endroit du corps où ils doivent déployer leur effet. Les effets ferromagnétiques des nanoparticules peuvent aussi avoir des applications médicales : pour cela, les particules sont chauffées par un champ magnétique à l’extérieur du corps et peuvent détruire des tumeurs sur-le-champ. Dans le domaine des diagnostics, les boîtes quantiques ou quantum dots ouvrent de nouvelles possibilités ultra-sensibles de rendre des structures et processus visibles dans le corps. Par ailleurs, les nanostructures et matériaux composites améliorent la compatibilité et la durabilité des implants.

Électronique et techniques énergétiques

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Les nanotechnologies permettent la construction de circuits électroniques plus petits. Grâce à l’utilisation de matériaux appropriés et à une technique de lithographie avec rayonnement ultraviolet à ondes très courtes, il est aujourd’hui possible de fabriquer des éléments fonctionnels avec une résolution de près de 10 nm. Les ordinateurs sont ainsi plus rapides et efficaces sur le plan énergétique. Les électrodes transparentes et nanostructurées facilitent la lisibilité et l’ergonomie des écrans tactiles, les nanomatériaux à forte porosité permettent la production d’accumulateurs et de piles plus petits, légers et performants, ce qui économise les ressources. Grâce à des nanomatériaux conducteurs (couches de graphène, nanotubes de carbone), on peut fabriquer des circuits très flexibles et extrêmement fins à l’aide d’imprimantes à jet d’encre, par exemple dans les diagnostics médicaux ou pour la fonctionnalisation de matériaux en tout genre (p. ex. textiles). Les boîtes quantiques permettent de produire des LED plus efficaces et de réduire encore la consommation d’énergie et de matériaux de l’éclairage et des LED actuels. Les nanomatériaux offrent un meilleur rendement des cellules photovoltaïques à couche mince, ce qui diminue la consommation d’énergie et de matériaux lors de la fabrication. Des matériaux composites renforcés par des nanofibres permettent des constructions plus légères et stables, que ce soit pour augmenter l’efficacité des éoliennes ou réduire le poids dans la construction automobile et aéronautique, et donc diminuer la consommation de carburant.

Techniques de l’environnement

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Nombre de polluants dangereux sont très mobiles et s’accumulent dans les organismes. Ils ne sont très souvent présents dans l’environnement que de manière fortement diluée et dispersée. Les méthodes traditionnelles ne permettent guère de les éliminer. Si l’on infiltre les bonnes nanoparticules dans les eaux souterraines, celles-ci peuvent se répartir aussi bien dans l’environnement que les polluants et les dissoudre grâce à leur réactivité spécifique. Avec des nanoparticules d’oxyde de fer, par exemple, il est possible d’éliminer l’arsenic toxique de l’eau potable, puis simplement de le filtrer.

Sources : DaNa (lien ci-dessous), Wikipédia.

Dernière modification 09.08.2018

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