Le nanomonde

L’unité de référence du nanomonde est le nanomètre (noté en abrégé nm). Le préfixe nano vient du grec nanos qui signifie nain. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre (1 nm = 10^–9 m = 0,000000001 m) soit approximativement 1/50 000 de l'épaisseur d'un cheveu humain (figure 1 de la ED 6050).

Les nanotechnologies et les nanosciences

Les nanotechnologies constituent un champ de recherche et de développement multidisciplinaire qui reposent sur la connaissance et la maîtrise de l’infiniment petit. Elles regroupent, plus précisément, l’ensemble des techniques qui permettent de fabriquer, de manipuler et de caractériser la matière à l’échelle nanométrique.

Les nanotechnologies sont la formalisation des concepts et des procédés issus des nanosciences, c’est-à-dire des sciences qui visent à étudier et à comprendre les propriétés de la matière à l’échelle de l’atome et de la molécule.

Les nanomatériaux

Il existe de nombreuses définitions du terme « nanomatériau ».

L’ISO fut le premier organisme international à établir en 2008 une définition dans un document référencé TS 27687 et actualisé depuis (renommé TS 80004-1).  Ainsi, selon l’ISO, un nanomatériau est « un matériau dont au moins une dimension externe est à l’échelle nanométrique ou qui possède une structure interne ou une structure de surface à l’échelle nanométrique ». 

Deux grandes familles de nanomatériaux sont ainsi distinguées :

• les nano-objets, qui sont des « matériaux dont une, deux ou trois dimensions externes se situent à l’échelle nanométrique ». Parmi les nano-objets, trois catégories sont discernées :
  • les nanoparticules, qui désignent des « nano-objets dont les trois dimensions externes se situent à l’échelle nanométrique »,
  • les nanofibres, nanotubes, nanofilaments, nanotiges ou nanobâtonnets, qui se rapportent à des « nano-objets dont deux dimensions externes similaires sont à l’échelle nanométrique et dont la troisième dimension est significativement supérieure »,
  • les nanofeuillets, nanoplats ou nanoplaquettes, qui définissent des « nano-objets dont une dimension externe se situe à l’échelle nanométrique et dont les deux autres dimensions sont significativement plus grandes » ;
• les matériaux nanostructurés, qui sont des « matériaux qui possèdent une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique ». Parmi les matériaux nanostructurés, plusieurs sous-familles sont proposées : les poudres nanostructurées, les nanocomposites, les nanomousses solides, les matériaux nanoporeux et les nanodispersions fluides.

L’ISO introduit également un acronyme : NOAA, signifiant « nano-objets et leurs agrégats et agglomérats de taille supérieure à 100 nm ». 

La Commission européenne s’illustre ensuite par sa volonté de n’obtenir qu’une seule et même définition, au moins en Europe, pour les nanomatériaux. Elle propose ainsi en 2011 une définition dans le cadre d’une recommandation qui a été revue en 2022.

Selon la Commission européenne, un nanomatériau est un matériau :

• naturel, formé accidentellement ou manufacturé ;
• contenant des particules* solides, qui sont présentes soit individuellement soit en tant que particules constitutives identifiables dans des agrégats** ou des agglomérats*** ;
• dont au moins 50 % des particules dans la répartition numérique par taille répondent à l’un des critères suivants :
  • (a) pour les particules sphériques : une ou plusieurs dimensions externes sont dans la gamme de taille comprise entre 1 nm et 100 nm,
  • (b) pour les particules de forme allongée (fibres, tubes, etc.) : deux dimensions externes sont inférieures à 1 nm et l'autre dimension est supérieure à 100 nm,
  • (c) pour les particules sous forme de plaquettes, feuillets, etc. : une dimension externe est inférieure à 1 nm et les autres dimensions sont supérieures à 100 nm. 

La Commission européenne mentionne également qu’un matériau présentant une surface spécifique en volume inférieure à 6 m²/cm³ ne doit pas être considéré comme un nanomatériau. 

_{* Particule : Minuscule fragment de matière possédant des contours physiques bien définis.}

_{** Agrégat : Particule constituée de particules soudées ou fusionnées.}

_{*** Agglomérat : amas friable de particules ou d’agrégats dont la surface externe globale correspond à la somme des surfaces de ses constituants individuels.}

Les nanomatériaux produits de façon intentionnelle par l’homme à des fins d’applications précises et possédant des propriétés spécifiques sont nommés « nanomatériaux manufacturés ».

Parmi les nanomatériaux manufacturés, certains sont produits depuis déjà de nombreuses années dans des tonnages importants tels que le dioxyde de titane, le noir de carbone, l’alumine, le carbonate de calcium ou la silice amorphe. D’autres plus récents sont fabriqués dans des quantités moindres tels que les nanotubes de carbone, les quantum dots ou les dendrimères.

Il existe également des nanomatériaux produits par l’homme de façon non intentionnelle, appelés parfois particules ultrafines, issus de certains procédés thermiques et mécaniques tels que les fumées de soudage ou de projection thermique, les émissions de moteurs à combustion, etc.

Enfin, des particules ultrafines naturelles sont présentes dans notre environnement, à l’image des fumées volcaniques ou des virus.

Applications

Le passage de la matière à des dimensions nanométriques fait apparaître des propriétés inattendues et souvent totalement différentes de celles des mêmes matériaux à l’échelle micro- ou macroscopique, notamment en termes de résistance mécanique, de réactivité chimique, de conductivité électrique et de fluorescence. Les nanotechnologies conduisent donc à l’élaboration de matériaux dont les propriétés fondamentales (chimiques, mécaniques, optiques, biologiques, etc.) peuvent être modifiées. Par exemple, l’or est totalement inactif à l’échelle micrométrique alors qu’il devient un excellent catalyseur de réactions chimiques lorsqu’il prend des dimensions nanométriques.

Toutes les grandes familles de matériaux sont concernées : les métaux, les céramiques, les diélectriques, les oxydes magnétiques, les polymères, les carbones, etc.

Du fait de leurs propriétés variées et souvent inédites, les nanomatériaux recèlent de potentialités très diverses et leurs utilisations ouvrent de multiples perspectives. Les nanomatériaux permettent ainsi des innovations incrémentales et de rupture dans de nombreux secteurs d’activité tels que la santé, l’automobile, la construction, l’agroalimentaire ou encore l’électronique.

Les deux approches tendent à converger en termes de gamme de tailles des matériaux. L’approche « bottom-up » semble néanmoins plus riche en termes de type de matière, de diversité d’architecture et de contrôle de l’état nanométrique alors que l’approche « top-down » permet d’obtenir des quantités de matière plus importantes mais le contrôle de l’état nanométrique s’avère plus délicat.

Les procédés actuels permettant la fabrication de nanomatériaux sont classés en trois grandes catégories :

• procédés par voie physique :
  • l’évaporation/condensation,
  • l’ablation laser,
  • la décharge électrique,
  • les flammes de combustion,
  • la pyrolyse laser,
  • les micro-ondes,
  • l’irradiation ionique ou électronique,
  • la décomposition catalytique,
  • les dépôts physiques en phase vapeur regroupés sous le terme de PVD (Physical Vapor Deposition), etc. ;

• procédés par voie chimique :

  • les réactions en phase vapeur regroupées sous le terme de CVD (Chemical Vapor Deposition),
  • les réactions en milieu liquide : coprécipitation chimique, hydrolyse, etc.,
  • les réactions en milieu solide,
  • les fluides supercritiques avec réaction chimique,
  • les techniques sol-gel : sol-gel à base de silice, alkoxyde de métal, etc. ;

• procédés par voie mécanique :

  • le broyage à haute énergie ou mécano-synthèse,
  • la consolidation et la densification,
  • les techniques de forte déformation : torsion, friction, laminage, etc.

L’approche « ascendante » fait appel à des procédés d’élaboration chimiques et physiques alors que l’approche « descendante » induit, principalement, l’utilisation de méthodes mécaniques.

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