Nanotechnologies

Nanomatériaux: Propriétés et applications

  Vous pensez peut-être que les nanomatériaux sont des matériaux révolutionnaires et à la pointe de la technologie, qu’ils sont hors de prix et seulement réservés à des utilisations très spécifiques, saviez vous pourtant que des nanoparticules d’argent étaient présentes à l’intérieur de votre frigo ou à la surface de votre clavier d’ordinateur pour leurs propriétés antibactériennes ?

Des nanomatériaux et les nanoparticules ou nano-objets qui les composent, nous en côtoyons tous les jours que ce soit dans notre voiture, au travail, dans notre cuisine ou encore, dans ce que nous mangeons. Nous allons voir dans cet article que les nanomatériaux, bien qu’issus d’une technologie ultra sophistiquée, sont beaucoup plus accessibles qu’il n’y paraissent.

I. Quels types d’innovations permettent les nanoparticules ? 

En étant ajoutées directement dans la matière qui compose chaque matériau les nanoparticules peuvent en modifier la solidité, la résistance, le poids ou encore la conductivité. Appliquées en surface elle peuvent former une couche protectrice qui lui permettra d’être plus résistante à la corrosion, à l’abrasion, à la saleté, à l’oxydation ou encore aux UV.

On pourra noter des modifications de:

Leur résistance mécanique, thermique, leur sensibilité à la corrosion ou à l’abrasion.

Les premières applications de ce type ont été les raquettes de tennis en carbone nanostructuré, c’est à dire que leur structure matérielle était en partie composée de nanoparticules de carbone spécifiquement agencées pour réduire le poids des raquettes tout en augmentant leur solidité.

Certaines carrosseries de voiture sont, elles, composées de nanofibres de polyester ce qui permet d’alléger le poids du véhicule tout en garantissant plus de souplesse et de résistance à ces pièces. Les pneus en caoutchouc sont également enrichis en nanoparticules de silice qui permettent de rigidifier la partie en contact avec la route et donc de ralentir son usure. On fera par la même baisser la consommation de carburant du véhicule en réduisant les frottements avec le bitume.

La conductivité thermique ou électrique des polymères.

Actuellement, on compte de plus en plus de pièces ou éléments en plastique difficiles à peindre pour des problèmes électrostatiques. En chargeant ces plastiques avec des nano-objets tels que le carbone, il est possible de les rendre conducteurs, ce qui permet d’économiser de la peinture.

La technologie LED offre des durées de vie extrêmement élevées, mais nécessite l’emploi de matériaux capables de transférer l’énergie thermique des LED vers l’air environnant. Ces matériaux sont fabriqués à l’aide de nano-objets incorporés à un support en plastique.

—> Plus d’information sur les nanotematériaux dans l’électronique dans cet article

Les propriétés de surface des matériaux.

On peut citer comme exemple les lunettes ou les vitres à verre auto-nettoyants ou encore le ciment auto-nettoyant. Ils sont recouverts d’une couche de dioxyde de titane qui bénéficie d’une capacité catalytique forte, cela permet, en présence des UV émis par le soleil, de dégrader de manière significative les éléments organiques fixés sur les verres ou sur les murs clairs.

On peut également souligner les propriétés hydrophiles du dioxyde de titane qui permettes à l’eau de s’écouler de manière homogène sur les surfaces en verre et donc d’éviter les traces. C’est le même procédé qui est utilisé sur les parties intérieures des tubes de sauce ou de crème de beauté pour que le produit s’écoule plus facilement.

Enfin, on retrouve des nanoparticules d’argile dans les films alimentaires transparents, elles forment une sorte de barrière qui empêche l’air de circuler à travers le film étirable. Cela a pour effet de ralenti le processus d’oxydation qui fait pourrir la nourriture, on augmente donc de cette manière le temps de conservation des aliments.

Voici un tableau récapitulant les diverses utilisations de ces technologies:

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II. Comment sont fabriquées ces nanoparticules ? 

Les nanoparticules que les industriels vont incorporer dans ou sur des matériaux comme les métaux, les polymères, les céramiques, les poudres, les huiles ou les gels vont agir sur leurs propriétés physiques et chimiques et donc leur conférer des propriétés nouvelles.

Ces nanoparticules sont synthétisées grâce à deux techniques bien distinctes, la technique ascendante (bottom-up) ou bien descendante (top-down).

  • L’approche « ascendante » vient des laboratoires de recherche et des nanosciences. Elle consiste à construire les nanomatériaux atome par atome, molécule par molécule ou agrégat par agrégat. L’assemblage ou le positionnement des atomes, des molécules ou des agrégats s’effectue de façon précise, contrôlée et exponentielle, permettant ainsi l’élaboration de matériaux fonctionnels dont la structure est complètement maîtrisée.
  • L’approche « descendante » est issue de la microélectronique. Elle consiste à réduire et plus précisément à miniaturiser les systèmes actuels en optimisant les technologies industrielles existantes. Les dispositifs ou les structures sont ainsi graduellement sous-dimensionnés ou fractionnés jusqu’à atteindre des dimensions nanométriques. Le broyage à haute énergie est l’une des principales techniques utilisées dans cette  approche actuellement.

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On trouve dans ces deux procédés une multitudes de techniques très sophistiqués qui sont répertoriées dans le tableau ci-dessous.

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Dû au risque potentiel pour la santé que peuvent engendrer les particules ultra-fines produites, ces techniques de fabrication sont opérées dans des laboratoires très sophistiqués et hyperventilés. Le personnel qui travaille à leur élaboration est protégé afin d’éviter l’inhalation de ces nano-éléments et sont suivi médicalement.

Des études peuvent également être menées afin de mesurer les effets d’une exposition prolongée à ce type de particules.

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