Le nanomonde
Nous vous invitons à voyager vers l’infiniment petit à la découverte du monde nanoscopique ! Plonger de la lune jusqu’à nous, c’est comme plonger de nous jusqu’au nanomonde. Dans les deux cas, la taille de chaque chose est réduite d’environ un milliard de fois. Voilà, nous sommes dans la matière. A l’échelle atomique, l’échelle du millionième de millimètre. Nous baignons en permanence dans ce monde rempli d’atomes et de molécules. Ici, notre intuition n’est plus fiable. Nos raisonnements classiques basés sur l’expérience du monde macroscopique doivent être modifiés. La différence essentielle, c’est la manifestation des lois de la physique. Télécharger la version pdf.
Les mêmes lois qui se manifestent différemment
Les lois de la physique sont les mêmes elles s’appliquent de la même façon mais leur manifestation est différente. On peut prendre un exemple c’est l’exemple de l’homme qui est soumis à la gravité qui est attiré par la terre. D’autres structures d’autres tailles comme un insecte un lézard sont soumis aux mêmes lois de la gravité mais d’autres lois sont plus importantes comme les lois d’adhésion sur les surfaces. Un lézard va pouvoir monter sur une surface verticale sans aucun problème parce que les forces d’adhésion sont plus importantes que les forces de gravité et ceci parce qu’il a une taille différente.
Ce lézard est un gecko. Il peut courir au plafond ! Ses pattes sont recouvertes de poils microscopiques eux-mêmes couverts de spatules de taille nanométrique. Les forces interatomiques entre ces spatules et le plafond sont suffisantes pour que l’animal ne tombe pas. La Nature n’est pas la seule à profiter des propriétés étonnantes du nanomonde. Sans le savoir et depuis longtemps, l’Homme les exploite aussi. Notamment les propriétés optiques.
Autre échelle, autre couleur
Si on découpe la matière en petits morceaux de quelques nanomètres donc en nanoparticules elle va donner des matériaux dont les couleurs vont dépendre de la forme et de la taille des particules ce dont on a pas l’habitude. Si on prend un lingot d’or on sait qu’il est jaune une couleur bien repérable pour le lingot d’or. Si on a des petites particules d’or qu’elles soient triangulaires carrés sphériques ou si elles ont des tailles de 10 nm ou 20 nm elles vont avoir des couleurs très différentes qui peuvent aller du jaune au rouge.
C’est l’importance de la surface des nanoparticules qui explique cette propriété optique. A volume constant, plus les particules sont petites plus la surface totale de ces particules augmente. Une nanoparticule est tellement petite que le nombre d’atomes à sa surface est comparable au nombre d’atomes qui constituent son épaisseur.
Pour comprendre, prenons un nageur. Dans une grande piscine, le nageur évolue librement quelque soit la forme du bassin. Dans une petite piscine par contre, ce même nageur est plus limité et il l’est d’autant plus si le bassin est de forme différente.
Dans une petite particule, c’est la même chose pour les électrons. Ce sont les électrons ou les niveaux des énergies des électrons qui donnent la couleur. Les électrons vont avoir un comportement différent suivant la forme de la particule c’est ce qui explique ces couleurs différentes des matériaux suivant leur forme à l’échelle nanoscopique.
Explorer le nanomonde
Top Down
Deux approches sont possibles pour étudier le nanomonde. Il y a l’approche top-down, du haut vers le bas, où on étudie comment les propriétés de la matière se modifient quand la taille diminue. C’est l’approche utilisée jusqu’ici dans l’industrie électronique par exemple. Dans cette industrie, la miniaturisation des composants arrive aujourd’hui aux limites des techniques de fabrication.
Bottom up
Au-delà nous sommes dans le nanomonde où les lois de la physique s’appliquent de manière différente. Ainsi pour fabriquer des choses encore plus petites, il faut directement partir des atomes et des molécules. C’est la seconde approche. L’approche bottum-up, du bas vers le haut. C’est comme un jeu de construction. Les atomes et les molécules sont comme des briques que l’on assemble pour obtenir ce que l’on souhaite. Mais construire des choses atome par atome, cela prendrait trop de temps. D’où l’importance d’étudier l’auto-assemblage.
L'auto-assemblage
L’auto assemblage c’est utiliser les forces de la nature pour construire des nanoparticules. Donc à la place d’aller poser des briques une par une pour former des nanoparticules on met ensemble des éléments qui vont s’assembler tout seul par les lois de la chimie et de la physique par les lois physico-chimiques pour former les nanoparticules de taille et de forme et de propriétés désirées suivant les briques qu’on a mis dans l’auto assemblage.
Le microscope à effet tunnel
Pour étudier la matière à l’échelle atomique, il est nécessaire de « voir » les atomes. Avec le microscope à effet tunnel, voir c’est toucher. Il est composé d’une pointe dont l’extrémité est idéalement monoatomique. Cette pointe est placée à quelques dixièmes de nanomètre de l’échantillon à étudier. A cette distance, un courant d’électrons apparaît, c’est le courant tunnel. En maintenant ce courant constant, la pointe balaye la surface de l’échantillon. L’enregistrement de ses déplacements verticaux reproduit la topographie de la surface. Avec ce genre de microscope, les scientifiques peuvent même déplacer les atomes un à un. Impossible d’avoir une gravure plus fine que celle-ci.
L’apparition de ces outils d’étude, la possibilité comme ici de synthétiser des nanoparticules, tout cela a permis aux scientifiques de découvrir les propriétés extraordinaires des objets de taille nanométrique. De là à avoir l’idée d’en tirer
Les nanotubes de carbone
Des nanoparticules, il y en a de toutes sortes. Celles dont on parle beaucoup pour l’instant ce sont les nanotubes de carbone.
ce sont des nanoparticules faites uniquement de carbone qui est un élément extrêmement abondant donc peu cher et qui ont une forme tubulaire elles ont des propriétés assez intéressantes qui sont: une grande résistance mécanique, une possibilité de transport de courant et donc d’être conducteur électrique et conducteur de chaleur.
