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Les Nanomatériaux CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES NANOMATERIAUX. I-1- Définiti

Les Nanomatériaux CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES NANOMATERIAUX. I-1- Définition d’un nanomatériau Un nanomatériau est un matériau dont au moins une dimension externe est à l’échelle nanométrique c'est-à-dire comprise approximativement entre 1 et 100 nm ou qui possède une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique. En comparaison, un nanomètre correspond à 1/50000ème de l’épaisseur d’un cheveu. Les plus petites choses qui peuvent être vus à l’œil ont des largeurs d’environ 10.000nm, la longueur de dix atomes d’hydrogènes alignés est de un nanomètre. Toutes les grandes familles de matériaux sont concernées : métaux, céramiques, carbones, polymères, etc. Pour mieux se rendre compte, il existe le même rapport de taille entre une orange et la Terre qu'entre une nanoparticule et une orange. Figure I- 1: Comparaison entre des nanoparticules et la dimension de la terre I-2-Historique L’utilisation des nanoparticules par l’humanité remonte au début des temps civilisés. En effet, de façon inconsciente, certaines civilisations ont eu du succès dans divers domaines (métallurgie et médecine), à l’aide des nanomatériaux. C’est d’abord par l’optimisation empirique de certaines technologies, sur plusieurs décennies, à travers un système d’artisan et d’apprenti, qu’ils ont mis à profit des nanostructures. En effet, à titre d’exemple illustrant ces faits, des nanofils encapsulés dans des nanotubes ont été identifiés dans une épée originale du XVIIe siècle, identifiée comme étant faite de cet acier mythique. Les méthodes de fabrication avaient été modulées par les artisans de l’époque, jusqu’à la production d’acier qui avait des propriétés bien supérieures à celles de la cémentite. Philosophiquement, ce n’est que récemment qu’une civilisation ait jeté les bases scientifiques des nanotechnologies. En effet, c’est dans les années 1950, que Richard Feynman, qui a, par ses présentations de « Plenty of room at the bottom », établi qu’il est théoriquement possible de construire atome par atome, des structures avec des propriétés spécifiques. Figure I-2 : Nanoparticules d’argent grossis au microscope électronique à balayage I-3- Classification des nanomatériaux Autour de nous, nous trouvons : • des nano-objets naturels, • des nano-objets anthropiques, qui sont le résultat d'une activité humaine: résultent de processus tels que le soudage, le fumage ou le polissage  des nano-objets volontairement produits pour les propriétés spécifiques que cette taille leur confère Il existe quatre grandes classes des nanomatériaux selon leur forme d’utilisation : Il existe trois grandes familles de nanomatériaux :  les nanoparticules qui désignent des nano-objets dont les trois dimensions externes se situent à l’échelle nanométrique : nanoparticules de latex, d’oxyde de zinc, de fer et de cérium, d’alumine, de dioxyde de titane, de carbonate de calcium, etc  les nanofibres, nanotubes, nanofilaments ou nanobâtonnets qui se rapportent à des nano-objets dont deux dimensions externes sont à l’échelle nanométrique et la troisième dimension significativement supérieure (nanotubes de carbone, nanofibres de polyester, nanotubes de bore, etc.). Ces termes désignent des nano-objets longilignes de section comprise entre 1 et quelques dizaines de nm et de longueur comprise entre 500 et 10 000 nm .  les nano-feuillets, nano-plats ou nano-plaquettes qui définissent des nano-objets dont une dimension externe se situe à l’échelle nanométrique et les deux autres dimensions sont significativement supérieures (nano-feuillets d’argile, nano-plaquettes de séléniure de cadmium, etc.). I-4- Les nanotechnologies Les nanotechnologies constituent un champ de recherche et de développement multidisciplinaire qui reposent sur la connaissance et la maîtrise de l’infiniment petit. Elles regroupent, plus précisément, l’ensemble des techniques qui permettent de fabriquer, de manipuler et de caractériser la matière à l’échelle nanométrique. I-5-Procédés de fabrication des nanomatériaux Les nanomatériaux manufacturés et destinés à des usages industriels peuvent être synthétisés selon deux approches différentes. On différencie la méthode dite « ascendante » (en anglais bottom-up) de la méthode dite « descendante » (top-down).  L’approche « ascendante ». 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 » 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. FIGURE I-3- Les deux approches de synthèse des nano-objets et des nanomatériaux manufacturés Les procédés actuels permettant l’élaboration de nano-objets sont classés en 3 grandes catégories : · - Elaboration par voie physique, · Elaboration par voie chimique, · -Elaboration par méthode mécanique. I-5-1-Elaboration par voie physique L'élaboration des nano-particules (amas) peut être réalisée à partir d’une phase vapeur. Cette phase est extraite d’un matériau source par chauffage (fusion en creuset ou sans creuset), par bombardement (faisceau d’électrons, pyrolise laser). Dans la plupart des cas, la vapeur du solide que l’on souhaite former est refroidie par collisions avec un gaz neutre et devient donc fortement sursaturante. Le matériau est collecté le plus rapidement possible sur une paroi froide, de façon à éviter la croissance ou la coalescence des amas. Souvent, l’appareil d’élaboration dispose d’un sas réunissant la chambre de collecte des poudres et le dispositif de compaction afin d’éviter toute pollution atmosphérique. Les poudres nanométriques sont en effet très réactives ; elles peuvent même dans certains cas être pyrophoriques. Une autre voie d'obtention de nano-poudres consiste à utiliser l'action de micro-ondes sur des poudres de taille millimétrique. Cette technique a comme avantages d'être non polluante et adaptée à une production en continu de poudres de toute nature. Les nanotubes de carbone peuvent être obtenus par ablation laser, décharge plasma ou décomposition catalytique. Enfin, des couches minces d’épaisseur nanométrique peuvent être réalisées par la voie PVD (Physical Vapor Deposition) ou par croissance épitaxique. I-5-1-1-Ablation par arc électrique C'est la méthode historique utilisée par Sumio Iijima. On établit en fait un arc électrique entre deux électrodes de graphite. Une électrode, l'anode, se consume pour former un plasma dont la température peut atteindre 6 000 °C. Ce plasma se condense sur l'autre électrode, la cathode, en un dépôt caoutchouteux et filamenteux évoquant une toile d'araignée très dense et contenant les nanotubes. C'est un procédé peu coûteux et assez fiable. Cependant le processus est tellement complexe qu'au final on n'a que peu de contrôle sur le résultat. De plus, la haute température nécessaire au procédé ne permettait pas d'obtenir en grande quantité un matériau exploitable (les nanotubes ont tendance à fondre partiellement et à s'agglutiner). Figure I-4 : Principe de l’ablation par arc électrique I-5-1-2-Ablation par laser Ce second procédé de vaporisation, mis au point à partir de 1992, consiste à ablater une cible de graphite avec un rayonnement laser de forte énergie pulsé ou continu. Le graphite est soit vaporisé soit expulsé en petits fragments de quelques atomes. C'est un procédé coûteux mais plus facile de contrôle, ce qui permet d'étudier la synthèse et de n'obtenir que les produits désirés. Ce procédé permit de faire baisser la température de la réaction à 1 200 °C. Figure I-5 : Ablation Laser d’un échantillon I-5-1-3-Les micro-ondes Une autre voie d'obtention de nano-poudres consiste à utiliser l'action de micro-ondes sur des poudres de taille millimétrique. Cette technique a comme avantage d'être non polluante. I-5-2-Elaboration par voie chimique Sont listées ci-dessous quelques techniques de fabrication par voie chimique couramment utilisées. -Les réactions en phase vapeur : Les matériaux précurseurs vaporisés sont introduits dans un réacteur CVD (Chemical Vapor Deposition) dans lequel les molécules de précurseurs sont adsorbées à la surface d’un substrat maintenu à une température adaptée. Les molécules adsorbées sont soit décomposées thermiquement, soit elles réagissent avec d’autres gaz ou vapeurs pour former un film solide sur le substrat. Cette technique est utilisée pour l’élaboration de certains nanomatériaux tels que les céramiques, les nanotubes de carbone, le diamant. -Les réactions en milieu liquide Sont le plus souvent effectuées à partir d’une solution aqueuse ou organique contenant les réactants. La précipitation des nanoparticules est obtenue par une modification des conditions de l’équilibre physico-chimique. la co-précipitation chimique, technique facile à mettre en oeuvre et la plus utilisée pour des productions industrielles à fort volume de matériaux de base bon marché, · l’hydrolyse permettant de produire des particules fines, sphériques avec une pureté chimique améliorée, une meilleure homogénéité chimique et un contrôle de la taille des particules. -Les techniques sol-gel : Elles permettent de produire des nanomatériaux à partir de solutions d’alkoxydes ou de solutions colloïdales. Elles sont basées sur des réactions de polymérisation inorganiques. L’intérêt du procédé sol-gel réside dans la possibilité de contrôler l’homogénéité et la nanostructure au cours des premières étapes de fabrication. Cette technique permet la production de pièces massives mais aussi de dépôts superficiels sur des plaques ou des fibres. Elle est également utilisée pour la production de composites fibreux. Cette technique permet de contrôler efficacement la taille des particules et l’homogénéité de la distribution des particules. Ce procédé est réalisé à des températures plus basses que pour les autres procédés. Inconvénients : · coût élevé uploads/Ingenierie_Lourd/ nanomateriaux-cours.pdf