Des nano-objets aux nanosystèmes

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Au novice, le nanomonde paraîtra peuplé d'espèces mystérieuses : nanoparticules, nanotubes, colloïdes, nanocomposites, nanomachines... Afin de lever un coin du voile, nous vous proposons ici un inventaire des entités de ce nanomonde sur lesquels travaillent chercheurs et industriels, puis les organisations qu'elles peuvent adopter, enfin les assemblages complexes que l'on peut en faire.

• I - Les nano-objets [2]
  • 1. Nanoparticules [3]
  • 2. Nanocristaux [4]
  • 3. Nanotubes [5]
  • 4. Dendrimères [6]
  • 5. Machines moléculaires [7]
• II - Nanomatériaux (ou matériaux nanostructurés) [8]
  • 1. Colloïdes [9]
  • 2. Films [10]
  • 3. Nanocomposites [11]
  • 4. Matériaux nanoporeux [12]
• III - Nanosystèmes [13]
• Schéma récapitulatif [14]

I - Les nano-objets

Les entités qui peuplent le nanomonde sont appelés nano-objets. Le terme ne possède toutefois pas une définition unique. Pour certains, un nano-objet est un objet dont toutes les dimensions dans l'espace sont de l'ordre du nanomètre (on entend par là comprises entre 1 et 100 nanomètres). Pour d'autres, il s'agit d'un corps dont au moins une des dimensions (longueur, diamètre, épaisseur) est de cet ordre. Nous adopterons ici l'acception large, à cause des nanotubes de carbone qui, bien qu'ayant un diamètre de quelques nanomètres, peuvent désormais atteindre une longueur de l'ordre du centimètre.

1. Nanoparticules

Une nanoparticule est un assemblage de quelques centaines à quelques milliers d'atomes, formant un objet de taille nanométrique (1 à 100 nm). Là encore, la définition n'est pas arrêtée. La plupart des nanoparticules sont des agrégats de petites molécules (TiO2, ZnO) ou d'atomes (or, argent). Plus rarement, ce sont des molécules à part entière. La plus médiatique est certainement la molécule de fullerène C60, composée de 60 atomes de carbone qui forment une « cage » sphérique ressemblant à la surface d'un ballon de football.

On distingue :

• Des nanoparticules naturelles. Un grand nombre de nanoparticules d'origine naturelle sont présentes dans l'environnement. Exemples : poussières émises par combustion ou par les volcans, produites par érosion.
• Des nanoparticules non manufactuées d'origine anthropique. Ce sont des nanoparticules « déchets » de l'activité humaine. Exemples : nanoparticules diesel, combustions diverses, réactions entre gaz, condensation.
• Des nanoparticules manufacturées. Ce sont des nanoparticules produites par l'Homme dans un but industriel ou de recherche. Exemples : noir de carbone (pneus, semelles de chaussure...), dioxyde de titane (peintures blanches, dentifrices, crêmes solaires, surfaces auto-nettoyantes...), nanoparticules de silice (pneu « vert » de Michelin), d'or (catalyseur)...

2. Nanocristaux

Prérequis : la notion de cristal
Qui ne s'est jamais étonné que la nature, habituellement encline à produire des courbes, puisse créer les formes tellement géométriques des cristaux ? Le secret de ces formes réside dans une organisation spatiale particulière des atomes. Ceux-ci se disposent en effet de façon très régulière dans l'espace, au point qu'on peut y voir se répéter le même motif constitué d'un petit nombre d'atomes. C'est la forme de ce motif, appelé maille, qui détermine la forme géométrique du cristal.
Pour en savoir plus, voir sur wikipedia la page structure cristalline [15].

Les nanocristaux sont des cristaux semi-conducteurs de taille nanométrique. Ils intéressent la microélectronique (mémoires non volatiles) et la nano-photonique...

3. Nanotubes

Le nanotube est une structure cristalline particulière : comme son nom le laisse entendre, les atomes qui le constituent forment un tube. Celui-ci est fermé aux extrémités. Dans les nanotubes de carbone (ainsi que dans les molécules de fullerène auxquelles ils s'apparentent) et de nitrure de bore, les atomes sont disposés en pentagones, hexagones et/ou heptagones.

4. Dendrimères

Les dendrimères sont des macromolécules sphériques obtenues par polymèrisation. Ils sont formés d'un « coeur » duquel partent un grand nombre de ramifications arborescentes. Selon l'intention de leurs créateurs les chimistes, ils pourront présenter à leur surface toutes sortes de fonctions.

Pour en savoir plus, lire sur le site du CNRS Les dendrimères : des outils pour une chimie innovatrice [16].

5. Machines moléculaires

Les chimistes parviennent à concevoir des molécules de telle sorte que des mouvements (rotatifs ou linéaires) sont possibles entre leurs différentes parties. Elles portent le nom de machines moléculaires ou molécules-machines. Dans quelques laboratoires, des chercheurs sont parvenus à en créer qui reproduisent à l'échelle du nanomètre des systèmes tels qu'engrenage, articulation, roue, moteur. Pour Xavier Guchet, philosophe, ces machines moléculaires sont avant tout destinées à produire de la connaissance. On serait encore loin des nanorobots...

II - Nanomatériaux (ou matériaux nanostructurés)

Un nanomatériau est un matériau possédant des propriétés particulières à cause de sa structure nanométrique.

1. Colloïdes

Une très bonne définition est fournie par Futura-Sciences [1] :

La matière colloïdale s'étudie à la lisière de la chimie et de la physique. Un colloïde se présente comme une suspension homogène de petites particules (entre un micromètre et un nanomètre), et qui prend des formes diverses, liquides, gel ou pâte. On sait s'en servir depuis des milliers d'années pour fabriquer des colles (d'où le nom des colloïdes, d'ailleurs), des encres, du ciment ou de la mayonnaise. Mais les propriétés de cette matière demeurent encore largement inconnues. Partout dans le monde, des scientifiques travaillent sur ce sujet.

2. Films

En réalisant des dépôts d'atomes ou de molécules, y compris des nanotubes, sur des surfaces, on parvient à réaliser des films d'épaisseur nanométrique. Ceux-ci peuvent hériter des propriétés de leurs composants ou développer des propriétés de surface nouvelles liées à la simple structuration apportée par le dépôt à l'échelle nanométrique.

3. Nanocomposites

Un nanocomposite est constitué de nano-objets incorporés dans une matrice d'oxyde ou de polymère. Selon leur nature, l'incorporation des nano-objets peut modifier les propriétés du matériau : résistance mécanique, flexibilité/rigidité, propriétés thermiques, électriques, magnétiques...

4. Matériaux nanoporeux

Les matériaux nanoporeux sont des matériaux dans lesquels les atomes laissent des pores de taille nanométrique qui peuvent être en forment de « cages » ou de tubes. « Le principal intérêt de ces composés poreux est d'être exploitables en séparation de gaz, en catalyse, en tamisage moléculaire, mais aussi d'offrir des potentialités remarquables comme structure hôte pour des molécules à propriétés optiques non linéaire ou magnétiques » [2]. Ce sont pour la plupart des matériaux de synthèse mais il en existe à l'état naturel. Ce sont les zéolites, une classe de minerais proches de l'argile et déjà utilisée pour diverses applications.

III - Nanosystèmes

Atomes, molécules, nano-objets peuvent être utilisés comme briques élémentaires pour des réalisations plus complexes. On parle alors de nanosystèmes. Diverses équipes de chercheurs à travers le monde travaillent à la réalisation de systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS) à partir de nano-objets...

Schéma récapitulatif

N.B. : Vous pouvez visualiser le schéma en plein écran en cliquant sur l'icône .

Références

1. Jean-Luc Goudet. Colloïde : se soignera-t-on un jour avec de l'encre ?. Futura-Sciences, 27 mai 2007.
http://www.futura-sciences.com/fr/sinformer/actualites/news/t/chimie-1/d... [17]

2. Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg. Matériaux nano et mésoporeux. nanomat.fr.
http://nanomat.u-strasbg.fr/dn_materiaux_nano_et_mesoporeux_FR/ [18]

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