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Introduction aux nanomat
Introduction aux nanomaté
ériaux
riaux
Séminaire DIFOP mars 2010
Bruno MASENELLI
Bruno MASENELLI
LPMCN
CNRS, Université de Lyon (Lyon 1)
bruno.masenelli@univ-lyon1.fr

Sommaire
Sommaire
Définition
Propriétés à l’échelle du nanomètre
et intérêt
Techniques de synthèse
Dangerosité
Définition

Propri
Propri
Proprié
é
ét
t
té
é
és
s
s à
à
à l
ll’é
’é
’échelle du nanom
chelle du nanom
chelle du nanomè
è
ètre
tre
tre
et int
et int
et inté
é
érêt
rêt
rêt

Techniques de synth
Techniques de synth
Techniques de synthè
è
èse
se
se

Dangerosit
Dangerosit
Dangerosité
é
é

D
Dé
éfinition
finition
Nanomatériau : matériau dont les propriétés sont
modifiées lorsqu’il est divisé à
l’échelle nanométrique

http://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/docs/plaq.nanomonde.pdf
Loi d
Loi d’é
’échelle
chelle
Un nanomètre :
30 000 fois plus fin que l’épaisseur d’un cheveu ;
100 fois plus petit que la molécule d’ADN
Du grec nano : « tout petit »
1nm = 1m/1 000 000 000.
© CEA, France

PHYSIQUE
Pluridisciplinarit
Pluridisciplinarité
é et Interdisciplinarit
et Interdisciplinarité
é :
:
Domaines de
Domaines de
comp
compé
étences
tences
CHIMIE
BIOLOGIE
INFORMATION
COMMUNICATION
INGÉNIERIE ÉLECTRIQUE
INGÉNIERIE
MÉCANIQUE
SCIENCES COGNITIVES
(ROBOTIQUE)
MÉTROLOGIE
DROIT, LEGISLATION
SECURITE SANITAIRE

NANOTECHNOLOGIES
Foisonnement des applications potentielles
Nanotechnologies
Énergie (nanoparticules TiO2 pour
cellules solaires..)
Sciences de la vie et médecine
(quantum dots pour imagerie
biologique, vectorisation..)
Telecom (lasers Quantum
dots, source de photons
uniques (cryptographie
quantique)
Chimie (nanoparticules pour
catalyse ..)
TIC (écrans (nanotubes
carbone pour émission
électronique, transistors,
mémoires ultra denses)
Industrie automobile (matériaux
composites, verres nanostructurés...)
Cosmétiques (TiO2 filtres UV)
Bâtiment (plastiques nanocomposite
(nanoargiles , lotus, filtres)
Agroalimentaire (nanocomposites pour
conservation (barrière de gaz…)

D
D
Dé
é
éfinition
finition
finition
Propriétés à l’échelle du nanomètre
et intérêt

Techniques de synth
Techniques de synth
è
èse
se
se

Dangerosit
Dangerosit
Dangerosité
é
é

Pourquoi le nanomètre ?
Argument pratique
Argument géométrique
Rapport surface/volume
comparaison entre longueurs caractéristiques
Argument quantique

Argument pratique : miniaturisation
Argument pratique : miniaturisation
+
- +
- +
-
+
- +
-
Nano aimant
≡
+
-
Super paramagnétisme
Choix du matériau optimal
Choix d’une matrice blocante
Cobalt 3 nm

Facteur g
Facteur gé
éom
omé
étrique
trique
grand rapport de surface/volume
grand rapport de surface/volume
0
1
2
3
4
5
100 1000 10 4
10 5
10 6
rapport
(surface/volume)
nombre d'atomes total
objets
nanométriques
volume= 4/3 π
π
π
π R3
surface= 4 π
π
π
π R2
surface/volume: 1/R

Explosion silo à grain Blaye (Gironde) onze morts
Si N devient petit réactivité énorme
=
toutes les particules qui peuvent s’oxyder sont des explosifs
R
Ré
éactivit
activité
é chimique
chimique

Aérosol de taille submicronique
R
Ré
éactivit
activité
é chimique
chimique

Tf = T0(1- a/R)
a = [γs – γl(ρs/ ρl)2/3]2/L ρs
P. Buffat et J.P Borel Phys. Rev. A 13, 2287 (1976)
Agrégats d’or
Au liquide à T ambiante à l’échelle du nm
Thermodynamique : transition de phase

AgI
∆P = 2γ/R
P + ∆P
P
Pression de Laplace
R. Makiura et al. Nature Materials 8, 476 (2009)

Reconstruction de surface
Reconstruction de surface
Structure cage (fullerène) Nanotubes, nanofils…

Chen et al. , Science 276 p.398
Agrégat de CdSe de 4,3 nm de
diamètre à 383 K
Agrégat de CdSe de 4,3 nm de
diamètre
massif

Nanocomposite :
renforcement mécanique des polymères par des particules de module
beaucoup plus élevé, sans perdre le bénéfice d’une faible densité par
rapport aux métaux, alliages et céramiques
Principe du renforcement :
Limitation de la déformation de la matrice polymère au voisinage de
l’interface avec la particule

Spécificités des charges nanométriques :
3. Diminution de la distance inter-particules
Comparable au rayon de giration des macromolécules
Comparable à la taille des lamelles cristallines
2. Accroissement du rôle de l’interphase
1. Augmentation de la surface développée
Amplification des effets d’interface
Mais problèmes éventuels de dispersion

Influence de la taille et/ou de la dispersion
Analyse mécanique
dynamique à 1Hz
(Tα PA6≈ 365 K)
T=430K
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
E'
c
/E'
m
Taux de charge (wt%)
Diametre: 17 nm
30 nm
80 nm
Kerner ( νm
=0.49)
100 nm
100 nm
PA6-Silice

Propriétés barrière
Chemin de diffusion

Effet lotus (hydrophobie des surfaces)
©SAINT GOBAIN VERRES
•Verres hydrophobes
•Verres hydrophobes
©URIS Auvergne

M
MÉ
ÉDECINE, BIOLOGIE
DECINE, BIOLOGIE
NANOBIOTECHNOLOGIES
NANOBIOTECHNOLOGIES
GENOMIQUE, PROTEOMIQUE
LABORATOIRE SUR PUCE
(analyse massive en // d’especes chimiques ou biologiques)
MICROFLUIDIQUE/NANOFLUIDIQUE (pompes, canaux, vannes….)
© Agilent Technologies
avantages :
facilité d'utilisation, vitesse d'analyse,
faible consommation d'échantillon et
de réactif, faible consommation
d’énergie…
Biomérieux, Ademtec

Figure 1 - Réaction d’oxydation de CO : nombre de
rotations (vitesse de réaction par atome de surface et
par seconde) en fonction de la taille moyenne des
particules métalliques pour un catalyseur Au/TiO2 et
comparaison avec un catalyseur Pt/SiO2
(extrait de Haruta M., Gold Bull., 2004, 37, p. 27).
Figure 2 - Cliché de microscopie
électronique montrant des
nanoparticules d’or d’environ 2
nm supportées sur TiO2 (extrait
de Zanella R. et al., J. Phys.
Chem. B, 2002, 106,p. 7634).
l’actualité chimique - janvier 2005 - n° 282 Fiche catalyse n°
°
°
° 48
Effet de la taille sur une réaction: cas de l’or pour l’oxydation de CO
L’or massif n’est pas un catalyseur !!!!!

Sommaire
Sommaire

D
D
Dé
é
éfinition
finition
finition

Propri
Propri
Proprié
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ét
t
té
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s
s à
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à l
ll’é
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chelle du nanom
chelle du nanomè
è
ètre
tre
tre
et int
et int
et inté
é
érêt
rêt
rêt
Techniques de synthèse

Dangerosit
Dangerosit
Dangerosité
é
é

Avec la voie descendante (top-down,) on
découpe les objets existants pour réduire
leur taille. La microélectronique devient
ainsi la nanoélectronique.
A l'inverse, la voie ascendante (bottom-up)
consiste à fabriquer des nanostructures en
assemblant les briques élémentaires (atomes ou
molécules) une par une.
Mécanosynthèse
Lithographie
Gravure…

Sommaire
Sommaire

D
D
Dé
é
éfinition
finition
finition

Propri
Propri
Proprié
é
ét
t
té
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és
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s à
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à l
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chelle du nanom
chelle du nanomè
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tre
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et int
et inté
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érêt
rêt
rêt

Techniques de synth
Techniques de synth
è
èse
se
se
Dangerosité

Les risques liés aux
nanomatériaux
• De nombreuses interrogations sur
les risques liés à l’utilisation des
nanomatériaux
• Possibilité d’un rejet par les
consommateurs ?
• Particules nanométriques :
– Capacité d’atteindre les ramifications
profondes des voies respiratoires
– Capacité de traverser les barrières
biologiques,comme les membranes
cellulaires.
• Augmentation de la réactivité de
certains matériaux (inerte
→chimiquement actif)

Les risques liés aux
nanomatériaux
• Avis de l’AFSSET:
– Les nanomatériaux : sécurité au travail - Juillet 2008
– Les nanomatériaux : effet sur la santé de l’homme et sur l’environnement –
Juillet 2006
• L’intégration des nanomatériaux dans Reach est prévue (enregistrement
spécifique pour les nanomatériaux et révision des tonnages 1 tonne)
• Grenelle de l’Environnement 2 : Obligation de déclaration des
nanomatériaux en prévision
• Forte pression des organisation de consommateurs pour l’information sur
la présence de nanomatériaux dans les produits

Définition et normalisation
• Définition et normalisation
– pas de définition et de terminologie, acceptées internationalement
– Définition communément admise : un solide dont une des dimensions au moins
est inférieure à 100 nanomètres
• Normalisation :
Un comité technique ISO TC 229 Nanotechnologies a été créé en novembre
2005 à Londres avec la participation de 31 pays dont la France
• 2 normes ont été publiées
– ISO/TR 12885:2008 Nanotechnologies -- Pratiques de sécurité dans les
arrangements professionnels relatifs aux nanotechnologies
– ISO/TS 27687:2008 Nanotechnologies -- Terminologie et définitions relatives aux
nano-objets –
• Nanoparticulse, nanofibres
Cette dernière norme définit les nanomatériaux à partir de leur propriétés spécifiques
plutôt qu’à partir de leur taille

Résumé
Impossibilité de tester exhaustivement la dangerosité
Étude limitée aux matériaux les plus utilisés
(produits en grande quantité)
Moyens de protections simples et efficaces
Gants latex, masques classe 3, blouses type 5 (cf. INRS)

Sécurité : http://www.inrs.fr
Nanosciences, nanomatériaux, nanophysique :
http://www.cite-sciences.fr/francais/ala_cite/expositions/nanotechnologies/index.html?skip=intro
Les nanosciences, direction M. Lahmani, C. Brechignac, Ph. Houdy, ed. BELIN
http://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/docs/plaq.nanomonde.pdf
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