Nanotechnologies Nanomateriaux

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  • Dossier Nanomatriaux INRS Juin 2009

    Les nanomatriaux Les nanotechnologies ouvrent l'industrie des perspectives nombreuses et varies. L'mergence de ces nouvelles technologies et la prise en compte des particules ultra-fines mises lors de certains procds industriels mnent se poser la question des risques encourus lors de l'exposition professionnelle. S'il est trop tt pour donner des rponses dfinitives, il est ncessaire de mettre en commun les connaissances, notamment en termes de risques pour la sant, de mtrologie et de protection des travailleurs. En attendant l'avance des tudes, il est recommand d'appliquer le principe de prcaution et de rechercher le niveau d'exposition le plus bas possible.

    Gnralits

    Nanotechnologies Les nanotechnologies reposent sur la connaissance et la matrise de linfiniment

    petit. Elles constituent un champ de recherche et de dveloppement multidisciplinaire impliquant la fabrication de nouveaux matriaux et de nouveaux dispositifs partir doutils ou de techniques permettant de structurer la matire au niveau atomique, molculaire ou supramolculaire. Les chelles caractristiques des nanotechnologies vont de 1 100 nanomtres. Les nanotechnologies sont la formalisation des concepts et des procds issus des nanosciences (sciences qui visent comprendre les proprits de la matire lchelle nanomtrique) en vue de multiples applications. Lunit de rfrence du monde des nanotechnologies est donc le nanomtre (nm). Le

    prfixe nano vient du grec nannos qui signifie nain. Un nanomtre est une unit de mesure qui quivaut un milliardime de mtre (1 nm = 10-9 m = 0,000 000 001 m). Un nanomtre correspond environ la taille de 4 atomes de silicium mis cte cte, 1/100 de la largeur d'une molcule d'ADN, 1/50 000 de l'paisseur d'un cheveu humain ou encore 1/500 000 de lpaisseur du trait dun stylo bille.

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  • Du visible linvisible

    A de telles dimensions, la matire acquiert des proprits inattendues et souvent totalement diffrentes de celles des mmes matriaux lchelle micro ou macroscopique, notamment en terme de rsistance mcanique, de ractivit chimique, de conductivit lectrique ou de fluorescence. Les nanotechnologies conduisent donc llaboration de matriaux dont les proprits fondamentales (chimiques, physiques, thermiques, optiques, biologiques, mcaniques, magntiques, etc.) peuvent tre modifies : il convient de les considrer comme de nouvelles substances chimiques. Par exemple, lor est totalement inactif lchelle

    micromtrique alors quil devient un excellent catalyseur lorsquil prend des

    dimensions nanomtriques. Toutes les grandes familles de matriaux sont concernes : les mtaux, les cramiques, les dilectriques, les oxydes magntiques, les polymres, les carbones, etc.

    Nano-objets Les nanomatriaux sont des matriaux composs ou constitus pour tout ou partie de nano-objets qui leur confrent des proprits amliores ou spcifiques de la dimension nanomtrique. Parmi les nano-objets, il est possible de distinguer trois grandes familles :

    les nanoparticules ou particules ultra-fines (PUF) dont aucune des dimensions nest suprieure 100 nm. Lappellation nanoparticules est plutt rserve aux particules manufactures et destines des usages industriels, que ce soit des nanoparticules connues et produites depuis dj plusieurs annes et dont les tonnages sont levs comme le dioxyde de titane ou la silice (ils reprsentent 95 % du march des nanoparticules) ou des nanoparticules nouvelles comme les fullernes. Les nanoparticules peuvent se prsenter sous la forme de poudre, de suspension, de solution ou de gel. Lappellation particules ultra-fines se rfre davantage aux particules prsentes depuis toujours dans lenvironnement, comme

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  • les fumes de volcan, et anciennes dans le monde du travail, comme les missions secondaires lies certains procds industriels (sous-produits de procds mcaniques, thermiques : fumes de soudage, missions diesel, etc.). les nanofibres, les nanotubes, les nanofilaments et les nanobtonnets dont

    une des dimensions est suprieure 100 nm. Ces termes sont gnralement, employs pour dsigner des nano-objets longilignes dont les dimensions vont de 1 quelques dizaines de nanomtres pour la section et de 500 10 000 nanomtres pour la longueur. les nanofilms, les nanocouches et les nanorevtements dont deux des

    dimensions sont suprieures 100 nm.

    Nanomatriaux Les nano-objets peuvent tre utiliss soit en tant que tels, soit en vue dlaborer de nouveaux matriaux nomms nanomatriaux et habituellement regroups en trois catgories :

    les matriaux nanochargs ou nanorenforcs. Ces matriaux sont labors par incorporation de nano-objets dans une matrice organique ou minrale afin dapporter une nouvelle fonctionnalit ou de modifier des proprits mcaniques, optiques, magntiques ou thermiques. Les nanocomposites en sont un exemple. Divers nano-objets sont dj utiliss dans de nombreuses applications industrielles comme par exemple :

    les fumes de silice dans le bton, pour amliorer sa fluidit et ses proprits mcaniques, lalumine destine au polissage des disques durs en microlectronique, le noir de carbone utilis dans les encres dimprimante et les pneumatiques, les pigments colors organiques et minraux incorpors dans les peintures et

    les vernis, le dioxyde de titane utilis comme protection au rayonnement ultraviolet

    dans les crmes solaires. les matriaux nanostructurs en surface. Ces matriaux sont recouverts soit

    dune ou plusieurs nanocouches, soit de nanoparticules qui forment un

    revtement bien dfini, permettant de doter la surface de proprits (rsistance lrosion, rsistance labrasion, hydrophilie, etc.) ou de fonctionnalits

    nouvelles (adhrence, duret, aspect, etc.). De tels revtements existent dj, par exemple pour colorer des emballages en verre, apporter une fonction autonettoyante ou renforcer la surface de polymres. les matriaux nanostructurs en volume. Ces matriaux possdent une

    structure intrinsque nanomtrique (microstructure, porosit, rseau nanocristallin, etc.) qui leur confre des proprits physiques particulires. Les nano-objets sont, dans ce cas, les lments constitutifs du matriau massif.

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  • Quelques exemples de nano-objets et de nanomatriaux Nanocristaux fluorescents

    Le slniure de cadmium (CdSe) est un matriau fluorescent. Lorsquil est prpar sous la forme de grains

    nanomtriques (nanocristaux), des effets quantiques apparaissent en raison des faibles dimensions des grains. Eclairs en ultraviolets, les nanocristaux mettent une lumire dont la couleur change en fonction de leur dimension (cette couleur est, par exemple, respectivement bleue et rouge pour des tailles de grains de 2 nm et 5 nm). Ces matriaux peuvent tre utiliss pour le marquage molculaire cest--dire pour jouer le rle de sonde fluorescente et suivre la trace les ractions chimiques ou les processus biologiques dans les cellules vivantes. Dautres nanocristaux fluorescents ont t labors.

    Nanocristaux semi-conducteurs (galement nomms quantum dots) de type slniure de cadmium

    Nanotubes de carbone

    Les nanotubes de carbone se divisent en 2 catgories : les nanotubes monofeuillet (SWNT : Single Wall Carbon Nanotubes) et les nanotubes multifeuillets (MWNT : Multi Wall Carbon Nanotubes).

    Dcouverts il y a une quinzaine dannes, les nanotubes de carbone

    constituent, avec dautres molcules

    nommes fullernes, la troisime forme cristalline du carbone (les 2 premires tant le graphite et le diamant). La structure dun nanotube

    de carbone peut tre reprsente par un ou plusieurs feuillets de graphite (atomes de carbone disposs en rseau hexagonal plan limage dun nid

    dabeilles) enrouls sur eux-mme, ou les uns autour des autres, et qui peuvent tre ferms leurs extrmits par une demi-sphre. Le diamtre interne dun nanotube de carbone est

    de lordre de quelques nanomtres et

    sa longueur peut atteindre plusieurs micromtres (ils peuvent tre considrs comme des fibres).

    De par leur structure trs simple et trs stable, les nanotubes de carbone possdent des proprits physiques, mcaniques et lectriques remarquables (excellentes conductivits thermique et lectrique, rsistance mcanique leve : un nanotube de carbone est 100 fois plus rsistant et 6 fois plus lger que lacier) qui induisent des

    applications nombreuses et prometteuses. Les nanotubes de carbone peuvent ainsi

  • tre utiliss pour laborer des matriaux composites haute performance, des polymres conducteurs ou encore des textiles techniques. Ils sont dj employs dans les domaines des quipements sportifs (vlos, raquettes de tennis, etc.), de laronautique, de lautomobile, de la dfense, de la mdecine, etc. La poudre de

    nanotubes en vrac prsente galement des applications potentielles multiples comme le stockage de lhydrogne et la fabrication de batteries pour les voitures lectriques. Revtements nanomodifis

    Goutte d'eau millimtrique sur un substrat textur hydrophobe : la goutte garde la forme d'une perle. La texture est un rseau de plots rgulirement organiss, ce qui confre au matriau ses couleurs.

    Inspirs du monde vgtal, des revtements nanomodifis sont actuellement en cours de dveloppement. La surface de la feuille de lotus est recouverte par des nanocristaux de cire qui forment un rseau de minuscules piliers semblable une planche cloute. Les gouttes deau ne peuvent pas mouiller la

    surface et demeurent sphr