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Nouveaux Matériaux 1ère Master Engineering des Matériaux et T des Surfaces Chap

Nouveaux Matériaux 1ère Master Engineering des Matériaux et T des Surfaces Chapitre III ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 Ch III Les Nanomatériaux III-1 Introduction : Les termes de nanomatériaux et de nanotechnologies recouvrent tout un domaine de réalisations dont le pas est inférieur au micron. Ils sont obtenus soit par des technologies qui permettent une réduction de la taille des composants, soit par la production de nano-objets qui s’auto-organisent. De nombreux travaux sur la synthèse et les applications technologiques des matériaux nanostructurés se sont rapidement développés au cours de ces deux dernières décennies. Cet intérêt provient du découvert que leurs propriétés physiques des nanomatériaux élaborés par une variété de méthodes expérimentales diffèrent de celles des matériaux solides de tailles conventionnelles. L’étude de leurs propriétés chimiques, mécaniques, électriques optiques et magnétiques ont de plus démontrés qu’il était possible de les maîtriser et de les diriger en contrôlant la taille des entités nanométriques les constituant et la façon dont ces constituants sont assemblés. Les nanotechnologies sont présentées comme une révolution. La capacité de contrôler individuellement les atomes donne lieu à de nombreuses spéculations. Certes, un vaste champ d’applications s’ouvre (électronique, aéronautique, chimie, biotechnologies) tant les propriétés des nano-systèmes s’avèrent nouvelles. III-2 Définitions : 1. Nano Le préfixe nano fut utilisé pour la première fois par les scientifiques en 1911, mais ce n’est qu’en 1955, qu’il fut choisi, comme une sous unité du mètre (1 nanomètre = 10-9 mètre). Le 29 décembre 1959, dans son discours donné à la Société Américaine de Physique, Richard Feynman ouvre la voie à un domaine de recherche alors inexploré « l'infiniment petit ». Feynman prononce sa fameuse expression ‘There is a Plenty of Room at the Bottom’ Il y a beaucoup de place en bas ; il a envisagé un aspect de la physique sur lequel peu de choses ont été réalisées et beaucoup reste à faire. En se basant sur la taille minuscule des atomes, il considère comme faisable l’écriture de grandes quantités d'informations sur de très petites surfaces. 2. Nanotechnologie et nanosciences : En 1974 Norio Tanigushi, utilisé pour la première fois le terme nanotechnologie, popularisé par la suite par Eric Drexler dans les années 80. Le progrès et le développement que connait la science actuellement ont permis d’explorer, à l’échelle du nanomètre, des domaines d’interfaces entre les différentes techniques de synthèse des matériaux. Les nanotechnologies recouvrent un grand nombre de domaines technologiques ayant pour dénominateur commun la taille nanométrique des structures. Parmi les domaines d'application on peut citer l'électronique, les technologies de l'information et de la communication qui font appel à des structures de plus en plus petites, atteignant la taille nanométrique. L'avènement des nanotechnologies constitue un tournant majeur dans le développement industriel du XXI siècle. Quant aux nanosciences, ce sont les études de la matière à échelle atomique et moléculaire, où les propriétés physico- chimiques diffèrent sensiblement de celles qui prévalent à une plus grande Nouveaux Matériaux 1ère Master Engineering des Matériaux et T des Surfaces Chapitre III ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 échelle. Cette discipline reste de nos jours très récente et en plein extension. De ce fait, les définitions données plus haut ne sont pas définitives et on les retrouve à côté de tant d’autres, utilisees par beaucoup de scientifiques spécialistes de ce domaine. Aussi, le portail français officiel des nanosciences et nanotechnologies (N.S.T.) reconnaît que les scientifiques ne sont pas unanimes quant à la définition de nanosciences et nanotechnologies. 3. Nanomatériaux Les nanomatériaux sont des matériaux mono ou polyphasés dont la taille des cristallites est inférieure à 100 nm (c'est la gamme de dimensions où diverses propriétés commencent à évoluer de manière significative en raison d'un certain nombre d'effets liés au confinement) dans au moins une dimension. En raison de la taille extrêmement petite des grains, une grande fraction de ces atomes est placée aux joints de grains. De ce fait, le matériau présente une nette amélioration des propriétés physique, mécanique et magnétique, comparé aux matériaux aux tailles de grains microscopiques. Ce type de matériau à structure nanométrique, selon la taille des grains, 30 à 50 % du volume est occupé par les joints de grains ou interfaces. Ce qui conduit à des propriétés améliorées, ou à des propriétés différentes de celles du matériau classique à grains micrométriques. Ces changements concernent aussi bien les propriétés mécaniques, physiques (optiques, magnétiques et électriques) et chimique. La fabrication des nanomatériaux nécessite des outils et techniques permettant de structurer la matière au niveau atomique, moléculaire, voire supramoléculaire. En effet, les matériaux a l’échelle du nanomètre sont équivalent à 1/2 fois la largeur d’une molécule d’ADN, 1/50000 fois l’epaisseur d’un cheveu humain ou bien encore 1/107 fois la longueur d’une fourmi. La figure I.1 permet d’illustrer la taille extrêmement fine d’un nanomatériau. Figure III-1 : Illustration de la taille extrêmement petite d'un nanomatériau Nouveaux Matériaux 1ère Master Engineering des Matériaux et T des Surfaces Chapitre III ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 Les principaux secteurs concernés par le développement des nanomatériaux sont l'environnement, l'énergie, le textile, la chimie, le cosmétique et la parfumerie, l'automobile, l'Aéronautique et le spatial, le verre et les articles en verre, la céramique et les matériaux de construction, le caoutchouc, les matières plastiques, la santé et la métallurgie. III-3 Les différentes familles nanométriques : On distingue dans la littérature plusieurs classifications des nanomatériaux. Elles sont fondées sur la dimension de la phase ou des phases nanométriques (0, 1, 2 ou 3) selon qu’il s’agit respectivement de particules dispersées, de baguettes, de couches planes ou de nanograins assemblés en volumes; ou selon qu’il s’agit de systèmes monophasés ou multiphasés composites. Deux de ces classifications, celle de Siegel (1993) (figure III-2), et celle de Niihara (1991) (figure III-3) seront présentées. Selon Siegel, les matériaux nanocristallins se présentent sous forme d’amas ou d'agrégats (clusters), de multicouches, de monocouches superficielles ou incluses ou encore sous forme de matériaux tridimensionnels. (a) (b) (c) (d) Figure III- 2 : Différentes classes de nanomatériaux selon Siegel (a) nanoparticules ou amas d'atomes, (b) multicouches constituées de couche d'épaisseur nanométrique, (c) couches simples nanostructurées, (d) matériaux nanocristallins à 3D (Siegel, 1993). Les matériaux nanocristallins à une dimension (1D) sont constitués d'empilements de couches monocristallines ou d'alliages homogènes d'épaisseur nanométrique tandis qu'une nanostructure à deux dimensions (2D) est constituée d'une monocouche polycristalline d'épaisseur nanométrique. Les propriétés d'une couche sont étroitement liées à la nature du substrat et à l'interface. Notons que cette catégorie de matériaux présente une grande densité d'interface; de l'ordre de 1025 / m3 pour des grains de diamètre moyen égal à 10 nm. Les matériaux nanostructurés à trois dimensions (3D) sont constitués de grains mono ou Nouveaux Matériaux 1ère Master Engineering des Matériaux et T des Surfaces Chapitre III ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 polyphasés dont la taille est voisine de 50 nm. Ces matériaux, qui feront l’objet de notre étude, sont composés essentiellement de grains, de joints de grains et des lignes triples. Niihara (1991) suggère des nano-composites se répartissant en quatre sous-classes. La matrice n’est pas généralement à l’échelle nanométrique : elle contient des particules à l’intérieur et le composite est dit alors de type intragranulaire. Figure III-3 : les classes des nanomatériaux selon Niihara (Niihara ,1991). D’après Gleiter (2000), il existe au moins une des dimensions des constituants dont la taille est inférieure à 50 nm et environ 50% des atomes sont dans les joints de grains. Le tableau de la figure III-4 donne la classification des nanomatériaux selon leur composition chimique et la dimension des cristallites. Les régions des joints de grains de la première et de la deuxième famille sont indiquées en noir afin d’accentuer les différents arrangements atomiques dans les grains (cristallites) et dans les joints de grains. La composition chimique des grains et des joints de grains est identique dans la première famille. Dans la deuxième famille, les joints de grains (en noir) sont les régions où deux cristaux de composition chimique différente se joignent ensemble et causent ainsi une augmentation de la concentration. Ainsi : - les plaquettes (ou lamelles) ont une dimension (1D). - Les aiguilles ont deux dimensions (2D). - Les grains équiaxes ont trois dimensions (3D). Nouveaux Matériaux 1ère Master Engineering des Matériaux et T des Surfaces Chapitre III ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 Figure III- 4 : Les différentes familles des nanomatériaux selon Gleiter III-4 Propriétés des nanomatériaux Avec la mise au point de techniques permettant d’élaborer des matériaux dont les dimensions sont nanométriques, un champ considérable s’est ouvert pour des matériaux nouveaux et des propriétés ont été découvertes qui relèvent de la physique (optique, électronique, magnétisme), avec déjà un ensemble très important d’applications industrielles, de la catalyse ou de la mécanique, avec toutefois, pour les matériaux structuraux, une limitation liée à la difficulté à accéder à des quantités de matière ou à des coûts pertinents. Parallèlement se sont développées des technologies permettant de façonner, par modulation de la composition ou par usinage à l’échelle nanométrique, des systèmes de matériaux et, de là, d’inventer des dispositifs qui sont la clef du futur en microélectronique et en informatique mais qu’il n’est pas possible d’évoquer pleinement ici en raison uploads/Ingenierie_Lourd/ ch-iii-les-nanomateriaux.pdf