Modification des propriétés des solides divisés à l’échelle

nanométrique

Il a été montré dans de précédentes études toxicologiques expérimentales in vivo et in vitro sur des particules fibreuses et sphériques de taille micrométrique que les particules fibreuses naturelles, comme l’amiante, sont associées à des effets cytotoxiques et génotoxiques qui entraînent dans le cadre d’une exposition prolongée un risque accru de pathologies inflammatoires et cancéreuses comme des fibroses pulmonaires et de cancers broncho- pulmonaires (Stanton et al. 1977).

Dans le cas des nanoparticules, leur très petite taille leur confère des propriétés remarquables avec notamment une surface spécifique très importante.

Chapitre I : Etude bibliographique

Figure 6: Schéma représentant la relation entre taille et surface spécifique(Zeyons 2008)

Une microparticule cubique d’un micromètre de côté possède une surface de 6µm², si on estime que cette microparticule est composée de nanoparticules de 1nm de côté alors elle aura un volume de 109 nm3 et une surface cumulée de toutes les nanoparticules de 6.109 µm². Donc à volume égal, la surface spécifique des nanoparticules est 103 fois plus grande que celle d’une microparticule (Figure 6). Avec cette gamme de taille, la principale caractéristique conférée aux nanoparticules est un rapport surface / volume très élevé.

Comme le montre la figure 7, plus la taille d’une particule diminue plus le nombre d’atomes se trouvant en surface augmente. Cette importante fraction d’atomes en surface va avoir pour conséquence de modifier significativement les propriétés atomiques, électroniques, physico-chimiques, optiques et également la réactivité des nanomatériaux par rapport aux mêmes matériaux mais de taille micrométrique.

Figure 7: Evolution du rapport surface/volume (en bleu) et de la fraction d’atomes présents à la surface de la particule (en rouge) en fonction du diamètre de la particule(Witschger O., Fabries J-

F. 2005; Simon-deckers 2008)

D’après la figure 7, pour un diamètre de particule de 0,02 µm, environ 15% des molécules sont situées en surface et le rapport surface/volume est de l’ordre de 3.108m2/m3 (équivalent à une surface spécifique de 300m2.g-1 pour une masse volumique de 1g.cm-3).

Cette figure montre que les deux facteurs considérés augmentent de façon significative lorsque le diamètre de la particule diminue, en particulier en dessous de 100 nm. Lorsque le diamètre décroit de 500 à 5nm, la proportion de molécules à la surface passe de moins de 1% à près de 50% (Witschger O., Fabries J-F. 2005).

Les nanoparticules possèdent un réel intérêt industriel et économique au vu des nombreuses propriétés remarquables qu’elles présentent (Figure 8):

- Les premières suspensions de nanoparticules étudiées scientifiquement sont attribuées à Faraday (1847). Il établit le lien entre les couleurs (doré, bleu, noir ou encore rouge vif) de solutions de particules d’or (appelées « sols » d’or) et leur taille. Cette propriété était depuis longtemps exploitée pour donner leurs couleurs vives aux vitraux.

Chapitre I : Etude bibliographique

- Optiques : Certaines nanoparticules d’oxydes métalliques ont la capacité d’adsorber dans les UV comme par exemple l’oxyde de zinc (ZnO) et le dioxyde de titane (TiO2)qui sont utilisées dans les produits cosmétiques (crèmes solaires) car elles représentent une bonne protection contre les UV tout en ayant l’avantage d’être transparents dans le visible.

- Electriques : L’ajout de nanotubes de carbone (NtC) à des matrices composites comme Al2O3, (Zhan et al. 2003) augmente par exemple très significativement la conductivité du matériau. Ces propriétés électriques, dues à la proximité de leurs niveaux d’énergie occupés et vacants (confinement quantique), font des nanoparticules des candidates idéales pour la photocatalyse(Kamat 2002). C’est par exemple le cas pour les nanoparticules de TiO2, elles sont incorporées à des surfaces pour leur donner des qualités «autonettoyantes». Des industries très variées les emploient à ces fins aussi bien dans le bâtiment que le textile (Qi et al. 2006; Vigneshwaran et al. 2006; Chattopadhyay & Patel 2011). Les NtC possèdent des propriétés électriques très intéressantes: selon leur hélicité, les NtC peuvent être conducteurs ou semi- conducteurs. Ils sont aussi capables d’émettre des électrons lorsqu’on les soumet à un champ électrique, et cet effet est d’autant plus important que le NtC est long et fin (A. K. Jain et al. 2007).

- Mécaniques : Les propriétés s’étendent de la superplasticité (ex : matériau constitué de cuivre nanocristallin, (L. Lu et al. 2000) à des résistances décuplées (ex : renforcement de matrices par des nanotubes de carbone). En effet, la dureté de NtC multiparois peut atteindre celle du diamant.

- Biologique : La petite taille des nanoparticules leur permet d’interagir de façon particulière avec les systèmes biologiques (protéines, membranes, cellules). L’utilisation des nanoparticules à des fins thérapeutiques a été envisagée il y a déjà une vingtaine d’années et continue de susciter des recherches actives dans ce domaine notamment dans la libération contrôlée de médicaments (Couvreur & Puisieux 1993; Moghimi et al. 2005) ou l’amélioration des techniques d’imagerie médicale. On parle alors de nanomédecine. Cependant, une utilisation courante des nanoparticules pour des applications de diagnostic, d’imagerie, voire curatives ne sera envisageable qu’une fois que la toxicité des nanoparticules aura été vérifiée en amont.

Propriétés Exemples

Catalytique Efficacité catalytique élevée due au rapport surface/volume élevé Electrique Augmentation de la conductivité électrique des céramiques et des

nanocomposites magnétiques

Augmentation de la résistance électrique des métaux Magnétique Augmentation de la coercivité magnétique, comportement

superparamagnétique

Mécanique Augmentation de la dureté et de la solidité des métaux et des alliages, de la ductilité et de la superélasticité des céramiques

Optique Changement spectral de l’absorption optique et des propriétés fluorescentes, augmentation de l’efficacité quantique des cristaux semi conducteurs

Stérique Augmentation de la sélectivité

Sphères creuses pour un transport spécifique de médicaments et une distribution contrôlée

Biologique Augmentation de la perméabilité vis-à-vis des barrières biologiques (membrane, barrière épithéliale,…), augmentation de la biocompatibilité Figure 8: Récapitulatif des changements de propriétés des particules à l’échelle nanométrique

(Luther, 2004)