Les nanos c'est quoi?
Nano?
Le préfixe "nano" vient du grec "nanos", qui désigne une personne de petite taille. En science, le préfixe nano est utilisé pour exprimer le milliardième dans les unités de mesure: nanomètre, nanoseconde,...
Repères:
- Un nanomètre, c'est environ:
- La nanoscience est l'étude des phénomènes et la manipulation des matériaux aux échelles atomiques, moléculaire et macromoléculaire, où les propriétés diffèrent significativement de celles à plus grande échelle.
- Les nanotechnologies sont la conception, la caractérisation, la production et l'application de structures, dispositifs et systèmes par contrôle de la forme et de la taille à l'échelle nanométrique.
| Sommaire |
|---|
| Histoire ancienne |
| Voir et manipuler les nanos |
| Structure |
| Synthèse |
| Propriétés |
Une histoire ancienne
Même si les nanotechnologies sont un secteur neuf, elles reposent sur
des travaux anciens.
Dans l’Antiquité...
...nos ancêtres utilisaient des nanoparticules sans le savoir, les Romains fabriquaient des œuvres en verre à l’aspect esthétique étonnant reposant en fait sur les propriétés des nanoparticules. Un exemple célèbre est le vase de Lycurgus dont la couleur varie en fonction de la luminosité. Ce vase possède des propriétés optiques particulières, dues à la présence de nanocristaux d’or et d’argent dans le verre. Grâce à cela, le vase apparaît verdâtre à la lumière du jour (réflexion) et rougeâtre lorsqu’il est éclairé de l’intérieur (transmission).
Dans un même ordre d'idée, la couleur rouge de certains tessons gallo-romains est due à la présence de nanoparticules de cuivre.
Au Moyen Âge...
Sans le savoir, les maîtres verriers du Moyen Âge sont parmi les premiers à utiliser les propriétés des nanoparticules. Lorsqu’ils disposent des particules d’or sur les vitraux de certaines cathédrales (celle de Bourges par exemple), ils obtiennent de nombreuses couleurs pétillantes.
A la Renaissance...
...les artisans utilisaient des nanoparticules d’argent et d’or pour donner un aspect lustré particulier aux céramiques, ainsi qu’à certains verres colorés.
Vitrail de la basilique Saint-Urbain
En 1857...
...Michael Faraday montre comment les petites particules de métal modifient les couleurs des vitraux.
En 1908...
...Mie explique théoriquement comment la couleur des verres dépend de la taille des petites particules métalliques incluses. Des particules de taille nanométrique existent dans la nature ou sont fabriquées industriellement depuis longtemps, comme dans les aciers. L’addition de nanoparticules dans une matrice est une technique employée fréquemment pour modifier les propriétés de certains matériaux.
La première utilisation industrielle date peut-être du début du vingtième siècle, avec la production de noir de carbone.
Dans les années 1940...
...on produit aussi de la silice fumée (fumed silica). Ces matériaux sont encore produits en grandes quantités actuellement.
Voir et manipuler les atomes
Les nanosciences ont pour objectif d’étudier la matière à l’échelle atomique. Pour cela, la première condition à remplir est de voir les atomes.
La lumière visible ne permet pas de « voir » les atomes
La lumière est composée d’ondes électromagnétiques, dont la dimension caractéristique est appelée « longueur d’onde » (λ). Pour la lumière visible, λ varie entre environ 400 nm (violet) et 800 nm (rouge). Avec la lumière, on peut distinguer au mieux des objets séparés d’environ λ /2, à l’aide d’un microscope. La lumière visible ne permet pas de « voir » les atomes.
Le microscope électronique
Le microscope à force atomique
La pointe, fixée sur un bras de levier flexible, appuie sur la surface avec une force constante. Lorsqu’elle balaye la surface du matériau, le bras plie plus ou moins selon la hauteur de la pointe au-dessus de la surface. La déformation du levier, qui est éclairée par un laser, est mesurée par un photodétecteur et analysée par un ordinateur.
On ne « voit » donc pas les atomes au sens littéral ; on reconstruit leur position par calcul, à partir de la mesure de la grandeur d’un signal (ici, la lumière laser qui arrive sur un détecteur).
D’autres microscopes, au fonctionnement semblable, exploitent les différentes forces d’interaction (électrique, magnétique) entre la pointe et les atomes, au niveau atomique. On les connaît sous le nom de « microscopes à sonde locale ».
Le microscope à effet tunnel
Le microscope à effet tunnel (en anglais : Scanning Tunneling Microscopy ou "STM") a été mis au point par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer (IBM-Zurich). Cette invention leur a valu le Prix Nobel de physique en 1986.
Le STM est basé sur un phénomène connu depuis les origines de la physique quantique : l'effet tunnel. L'effet tunnel est l'une des prédictions les plus surprenantes de la mécanique quantique. Imaginons une balle lancée contre un mur très haut. En mécanique classique, la balle ne peut pas traverser le mur. En mécanique quantique, il existe une probabilité non nulle qu’elle traverse le mur : c’est l’effet tunnel. Cet effet est d’autant plus important que le mur est fin et que la balle est légère, comme des électrons.
Les électrons ont une probabilité non nulle de passer d'une électrode à l'autre par effet tunnel. Il apparaît un courant d’électrons, appelé courant tunnel. Dans un STM, la pointe est déplacée au-dessus de la surface du film en maintenant le courant tunnel constant. La distance pointe-échantillon reste constante et l'enregistrement des déplacements verticaux de la pointe reproduit fidèlement la topographie de la surface.
Ecrire avec des atomes
Le microscope à effet tunnel permet d’écrire avec des atomes. Pour cela, on approche la pointe de la surface et on applique une « forte » différence de potentiel entre la pointe et la surface. Un atome de la surface est ainsi attiré vers la pointe et y reste collé. La pointe et l’atome sont écartés de la surface et déplacés vers l’endroit où l’on désire écrire. Là, la pointe est rapprochée de la surface, la différence de potentiel est supprimée. L’atome est ainsi décollé de la pointe et déposé sur la surface. L’action est répétée de multiples fois.
Grâce à cette technique, certains espèrent manipuler les atomes dans des molécules plus complexes, afin de fabriquer des molécules à la demande. Le rêve (ou le cauchemar) d’autres est de manipuler le matériel biologique (dont l’ADN), afin d’obtenir des êtres vivants aux caractères pré-déterminés.
Structure
Les fullerènes
Avant 1985, on ne connaissait que deux types d’arrangements réguliers d’atomes de carbone : le graphite et le diamant.
Structure du
graphite
Structure du diamant
En 1985, Robert F. Curl, Harold W. Kroto et Richard E. Smalley
observent que des particules comportant 60 et 70 atomes sont
exceptionnellement stables. Après quelques tâtonnements, ils arrivent à
la conclusion que les particules ont une structure en cage fermée,
faite d’un assemblage de pentagones et d’hexagones. La même structure
se retrouve sur les ballons de football. C’est aussi la structure du
« dôme géodétique » conçu par l’architecte R. Buckminster
Fuller pour l’exposition internationale de Montreal de 1967. Les
chercheurs ont d’abord appelé la structure du C60
buckminsterfullerene. Ce nom, trop long aux yeux des autres
chercheurs, est devenu l’actuel fullerene.
La structure du C60 est celle du ballon de football
Dans le fullerène (C60) tous les atomes sont équivalents.
Les fullerènes étant des assemblages atomiques creux, on peut y introduire des atomes étrangers, notamment métalliques (La, Ni, Na, K, Rb, Cs). Les molécules de fullerène peuvent aussi s’arranger selon un réseau cristallin.
Etant donné leur forme géométrique presque sphérique, les molécules de fullerènes, placées entre deux surfaces, agissent comme des roulements à bille moléculaires et servent de lubrifiants très efficaces.
Du fullerène au nanotube de carbone
Les nanotubes de carbone peuvent être considérés comme des feuillets de
graphène (plans de graphite) enroulés sur eux-mêmes et fermés aux deux
extrémités. Leur diamètre varie de 1 à quelques nm. Selon la manière
dont l’enroulement des feuillets a lieu, on obtient plusieurs types de
nanotubes.
Selon leur enroulement, les nanotubes de carbone possèdent des propriétés électroniques différentes, certains étant métalliques et d'autres semi-conducteurs. Ces nanotubes sont plusieurs milliers de fois plus résistants que l'acier.
Les feuillets de graphène peuvent aussi s’enrouler en plusieurs couches concentriques.
Au début, les nanotubes de carbone étaient préparés en très petites quantités. Actuellement, des méthodes existent, permettant d’en synthétiser en quantités importantes. En Wallonie, la firme NANOCYL (Sambreville), fabrique des nanotubes de carbone.
En Belgique, la fabrication des nanotubes de carbone est assurée par la firme Wallonne NANOCYL.
Les nanotubes de carbone
Les nanotubes sont des structures creuses, que l’on songe à remplir avec d'autres composés chimiques, ce qui en ferait des récipients clos à l'échelle nanométrique. On pourrait y stocker de l’hydrogène, ce qui en ferait de bons matériaux pour les réservoirs des futures voitures à hydrogène.
Des nanotubes ont été produit à partir d'autres composés chimiques : sulfures (molybdène, tungstène, cuivre), halogénures (chlorure de nickel, chlorure de cadmium, iodure de cadmium). Chacun ayant ses propres propriétés.
Certains nanotubes sont plus durs que le diamant, une propriété intéressante pour l’industrie.
Synthèse des nanoparticules
L’effet « Pastis »
Les méthodes de préparation des nanoparticules sont nombreuses, et certaines sont connues depuis longtemps. Certaines sont même utilisées quotidiennement, surtout lorsqu’il fait chaud, comme à l’apéritif !
Les amateurs d’apéritif savent que, lorsque l’on verse de l’eau dans un verre contenant un fond de pastis, le liquide, d’abord transparent, devient blanc.
Ce phénomène est dû à une propriété de l’anéthol, molécule constituant l'huile d'anis (extrait de l'anis étoilé), qui donne au pastis son goût tant apprécié.
Cette molécule est soluble dans l’alcool (qui reste transparent), et insoluble dans l’eau. Lorsque l'on verse l'eau sur le pastis, l’huile d'anis forme des nano-gouttelettes (environ 300 nm) qui se mettent en suspension dans le verre. La couleur blanche provient d'un phénomène optique, connu sous le nom de diffusion de Mie. C'est ce même phénomène qui donne aux nuages leur couleur blanche.
On peut ainsi, en jouant sur la concentration eau/alcool, fabriquer des nanoparticules.
Cet effet est utilisé depuis longtemps en industrie pour la fabrication de particules colloïdales et autres nanoparticules.
Fabriquer des nano-objets n’est pas nouveau. Depuis longtemps, scientifiques et ingénieurs synthétisent des molécules, fabriquent des cristaux, étudient des systèmes biologiques. Ce qui est nouveau avec les nanosciences et les nanotechnologies, ce sont les progrès réalisés dans la compréhension et le contrôle de la matière au niveau de l’atome.
Un des problèmes majeurs est celui du contrôle de la position des nano-objets: il faut être capable d'assembler des atomes avec une précision nanométrique.
Fabriquer des nano-objets
Fabriquer des nano-objets n’est pas nouveau. Depuis longtemps,
scientifiques et ingénieurs synthétisent des molécules,
fabriquent des cristaux, étudient des systèmes biologiques. Ce qui est
nouveau avec les nanosciences et les nanotechnologies, ce sont les
progrès réalisés dans la compréhension et le contrôle de la matière au
niveau de l’atome.
Un des problèmes majeurs est celui du contrôle de la position des nano-objets: il faut être capable d'assembler des atomes avec une précision nanométrique.
Copier la nature
Dans la nature, on rencontre de nombreux exemples de structures auto-organisées, depuis les yeux multi-facettes de la mouche jusqu’à la surface de feuilles de lotus.
L’auto-assemblage
Les cas les plus « efficaces » de nanosystèmes bâtis par auto-assemblage sont ceux réalisés par la nature elle-même : bactéries, cellules, organismes vivants. Le repliement des protéines, les interactions entre l’ADN et les histones en sont quelques exemples.
Plutôt que de devoir construire des structures une par une, il est préférable de mettre au point des procédés dans lesquels elles s’organisent d’elles-mêmes. C’est le sujet de la chimie supra-moléculaire.
Les structures supra-moléculaires résultent d’interactions entre molécules distantes les unes des autres. Les structures supra-moléculaires s’assemblent d’elles-mêmes (on parle d’auto-assemblage), sans intervention extérieure. C’est la conception et la synthèse des constituants moléculaires appelés à s’auto-assembler qui requiert compétence et créativité de la part des chercheurs.
La chimie théorique et la chimie physique sont nécessaires pour comprendre les forces qui conduisent des espèces à s'associer, en fonction de la nature, de la distance, de l'orientation des groupes en interaction.
L'élaboration des nanostructures supra-moléculaires requiert donc une véritable connaissance de la manière dont elles se créent, notamment leur arrangement géométrique. L'obtention d'une structure donnée repose sur le contrôle fin des interactions intervenant pour lier ses constituants. Une telle association se caractérise par sa stabilité et sa sélectivité, c'est-à-dire par la quantité d'énergie et la quantité d'information mises en jeu.
Propriétés particulières des nanoparticules
Les nanoparticules constituent des états intermédiaires de la matière, entre la molécule et le solide. Elles possèdent des propriétés particulières.
A volume donné, plus les particules constituant une poudre sont petites, plus l’aire totale est grande. Cet effet de taille intéresse l’industrie chimique est intéressée par les nanoparticules. En effet, nombre de réactions se déroulent à la surface de catalyseurs. Plus celle-ci est importante, plus les réactions chimiques sont rapides.
Les masques à gaz utilisent aussi cette propriété des nanoparticules. Les molécules de gaz toxiques vont s’adsorber (se coller) à la surface de nanograins de carbone.
Lorsque la couleur dépend de la taille des nanoparticules
Certains matériaux, dits fluorescents, émettent de la lumière visible lorsqu’ils sont éclairés par un rayonnement ultraviolet. Le séléniure de cadmium (CdSe) est un matériau fluorescent. Lorsqu’il est sous forme de nanocristaux, des effets quantiques apparaissent. Eclairés par un rayonnement ultraviolet, ils émettent de la lumière visible, dont la couleur dépend de la taille : du bleu au rouge lorsque la taille varie de 2 nm à 5 nm. On peut ainsi obtenir une grande palette de couleurs.
Le diamètre des nanoparticules en suspension augmente de gauche à droite.
Cet effet est utilisé pour localiser les nanoparticules de taille
choisie. Par exemple, en médecine, certaines nanoparticules
s’accrochent préférentiellement à certaines tumeurs. En éclairant les
zones malades avec un rayonnement ultra-violet, on détecte la présence
de nanoparticules et, donc, on localise les tumeurs sur lesquelles
elles sont attachées.
Le contenu de ces pages est réalisé sur base des textes de l'exposition "Nanotechnologies-Mégadéfis" mise sur pied par Michel Wautelet et Damien Duvivier. Cette exposition est organisée avec le soutien de la Ministre de la Recherche et des Technologies nouvelles de la Région wallonne
