Applications

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 (Buzea et al., 2007).

- 75 -

C. Procédés de fabrication des nanomatériaux

manufacturés

Les nanomatériaux manufacturés et destinés à des usages industriels peuvent être synthétisés via deux stratégies de construction différentes (Pan & Zhong, 2016) :

L’approche « top-down » ou « descendante » est issue de la microélectronique. Les nanomatériaux sont créés par fractionnement (ou miniaturisation) du matériau macro-métrique jusqu’à atteindre des dimensions nanomacro-métriques. Cette approche « top-down » permet d’obtenir des quantités de matière plus importantes que l’approche « bottom-up ». Les techniques utilisées dans cette approche regroupent :

 Le broyage à haute énergie : grâce à des billes de broyage, un matériau millimétrique peut être réduit à l’état de particules sub-micrométriques, dissoutes dans un solvant eau ou huile (media milling) ou à sec (dry milling).

 L’ablation laser : le matériau cible, immergé dans un solvant, est irradié avec un laser de haute énergie. Les NP ainsi créées sont dispersées dans le solvant. Cette technique génère très peu de déchets et permet d’obtenir des NP très pures. Elle est utilisée pour générer des NP de matériaux nobles comme les NP d’or.

 La synthèse par décharge électrique : deux électrodes recouvertes du matériau cible sont plongées dans un solvant conducteur. L’application d’un fort voltage permet la création d’un arc électrique, qui augmente la température locale jusqu’à plus de 1000°C. Cela vaporise le matériau cible qui se re-condense dans le solvant sous forme de NP. C’est par cette technique que sont créés les nanotubes de carbone.

 L’ultrasonication : la production de NP peut être réalisée en soumettant le matériau cible à des vagues d’ultrasons de haute fréquence (supérieures à 20kHz).

 Les techniques d’homogénéisation haute pression ou homogénéisation haute vitesse. Une haute pression ou haute vitesse sont appliquées au matériau cible pour le déformer ou le réduire en NP.

- 76 -

Figure 23. Les deux stratégies de production de NP

Figure adaptée du dossier « nanomatériaux, nanoparticules » de l’INRS, 2016.

L'approche « bottom-up » ou « ascendante » est radicalement différente. Elle correspond à la construction du nanomatériau à partir d’atomes ou de molécules individuelles. L’assemblage ou le positionnement des atomes, des molécules ou des agrégats s’effectue de façon précise, contrôlée et exponentielle ; ce qui permet de maitriser complètement la structure du nanomatériau. Cette approche est plus riche en termes de type de matière et d’architecture du matériau et permet de mieux contrôler l’état nanométrique par rapport à l’approche descendante. Cette approche regroupe :

 La précipitation par antisolvant : les molécules sont dissoutes dans un solvant adéquat (« bon » solvant). L’ajout d’un autre solvant (« mauvais » solvant) miscible change les propriétés du milieu. Les molécules précipitent alors entre elles, formant les NP. La taille des NP peut être contrôlée en ajustant les concentrations de molécules et les propriétés des solvants (pH, Température...).

 L’auto-assemblage. Cette technique concerne principalement les molécules amphiphiles. Ainsi, les phospholipides et les polymères amphiphiles s’auto-assemblent en structures micellaires. Ces assemblages sont réversibles et dépendent de l’acidité et de la polarité du solvant.

- 77 -

 Les nano-émulsions. Une phase lipidique est suspendue dans une phase aqueuse en présence de surfactant. La taille dépend de l’énergie appliquée à l’homogénéisation et de la proportion de surfactant. La stabilité de ces nano émulsions dépend là aussi de la température et du pH.

 Les méthodes dites en « template ». Des gouttelettes sont formées en solution comme patron de la future NP. Puis des modifications physicochimiques (action d’enzymes, création de crosslink, pH, température,…) sont appliquées sur la solution pour changer la gouttelette en NP solide. Ces techniques sont utilisées par exemple pour la création des solid lipid NP.

D.Applications

Comme évoqué précédemment, la matière à l’échelle nanométrique acquière des propriétés inédites de résistance mécanique, de réactivité chimique, de conductivité électrique ou de fluorescence. Du fait de ces propriétés, les nanomatériaux offrent des perspectives d’application très variées. Ainsi, ces nanomatériaux ont déjà permis des innovations incrémentales et de rupture dans des domaines tels que l’automobile, l’énergie, l’alimentation … Quelques exemples sont référencés dans le tableau ci-après.

Parmi ces domaines d’application, certaines NP qui seront évoquées au cours de ce manuscrit doivent être mises en avant. Ainsi, les NP d’argent sont utilisées dans les textiles pour leurs propriétés antibactériennes, les NP de dioxyde de titane sont introduites en agro-alimentaire en tant que colorants, les NP de silice sont utilisées en agro-agro-alimentaire comme antiagglomérant ou en cosmétique comme abrasif (dentifrices), enfin les nanotubes de carbone permettent par exemple la production de matériaux plus légers.

- 78 -

SECTEURS D’ACTIVITÉ EXEMPLES D’APPLICATIONS ACTUELLES ET POTENTIELLES

Automobile, aéronautique et aérospatial

Matériaux renforcés et plus légers ; peintures rayures, corrosion et anti-salissures ;capteurs optimisant les performances des moteurs ; détecteurs de glace sur les ailes d’avion ; pneumatiques plus durables et recyclables…

Electronique et communications

Mémoires à haute densité et processeurs miniaturisés ; cellules solaires ; bibliothèques électroniques de poche ; technologies sans fil ; écrans plats… Agroalimentaire Emballages actifs ; additifs : colorants, anti-agglomérants, émulsifiants... Chimie et matériaux Pigments ; charges ; poudres céramiques ; inhibiteurs de corrosion ; catalyseurs

multi-fonctionnels ; textiles et revêtements anti-bactériens et ultra-résistants… Construction Ciments autonettoyants et pollutions, vitrages autonettoyants et

anti-salissures ; peintures ; vernis ; colles ; mastics…

Cosmétique Crèmes solaires transparentes ; pâtes à dentifrice abrasives ; maquillage avec une meilleure tenue…

Énergie Cellules photovoltaïques nouvelle génération ; nouveaux types de batteries ; fenêtres intelligentes ; matériaux isolants plus efficaces ; entreposage d’hydrogène combustible…

Environnement et écologie

Diminution des émissions de dioxyde de carbone ; production d’eau ultrapure à partir d’eau de mer ; pesticides et fertilisants plus efficaces et moins

dommageables…

Défense Détecteurs d’agents chimiques et biologiques ; systèmes de surveillance miniaturisés ; systèmes de guidage plus précis ; textiles légers et qui se réparent d’eux-mêmes…

Figure 24. Applications des nanomatériaux.

Figure adaptée du dossier « nanomatériaux, nanoparticules » de l’INRS, 2016.