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République algérienne démocratique et populaire Ministère de l'enseignement sup

République algérienne démocratique et populaire Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université de Bordj Bou Arreridj Faculté des sciences et de la technologie Département de génie mécanique Etudié par : Zidi chanez Lebidi fatima zohra Samai aymen Salik chaima Etude théorique sur les nanomatériaux I ntroduction : Aujourd'hui, les nanomatériaux constituent la base de plusieurs études et recherches, grâce au développement des techniques de manipulation et de caractérisation, qui ont ouvert une voie pour l’étude et de manipulation de la matière à l’échelle de l’atome. De nombreuses méthodes sont développées pour prédire les propriétés physiques et / ou chimiques des nanomatériaux qui varient notamment selon leur composition chimique, leur taille et l’état de surface, qui sont complètement différentes des mêmes matériaux dans l’état massif. Les nanomatériaux représentent un domaine de la recherche scientifique et technique en pleine expansion pour la découverte des propriétés ou des comportements physico-chimique particuliers intéressants à l’échelle atomique, ceci aplanir la création des nouveaux matériaux utilisés actuellement dans l’industrie et les nouvelles technologies dans différents domaines (automobile, santé, chimie, emballage, cosmétologie, l’énergie …..). Beaucoup d'études des propriétés physiques et chimiques des nano-clusters basé sur des approximations de la mécanique quantique par la résolution de l’équation de Schrödinger en physique du solide, ont été réalisée à nos jours. 1) Historique : Depuis longtemps, les scientifiques rêvaient de manipuler les atomes.  1959 : Le physicien Richard Feynman déclaré : "Les principes de la physique, pour autant que nous puissions en juger, ne s'opposent pas a la possibilité de manipuler des choses atome par atome" [1].  1970 : Les travaux de J-M Lehn utilisaient deux ou plusieurs espèces chimiques pour comprendre ou construire des édifices de taille nanométrique [1].  1974 : Première utilisation du terme nanotechnologie ; Le Japonais N.Taniguchi crée le terme « nanotechnologie » pour fabriquer et utiliser des structures d'une dimension de l’ordre du nanomètre [2].  1981: Invention du microscope a effet tunnel (STM) par Gerd Bining et Heinrich Rohrer, pour déterminer la forme des atomes et permet également d’observer les atomes sur des surfaces conductrices ou semi-conductrices [2]. 1989 : Première manipulation de la matière à l'échelle atomique, à l’aide du microscope à effet tunnel, Donald Eigler parvient à déplacer 35 atomes de xénon pour dessiner les initiales d’IBM (International Business Machine) sur une surface de nickel [3].  1998 : Découverte d’un rotor moléculaire ; le laboratoire de recherche d'IBM a Zurich a permis d'observer pour la première fois une seule et même molécule en rotation, ouvrant la voie a la conception de moteurs moléculaires artificiels dont les dimensions seraient de l'ordre du nanomètre [2].  1999 : Construction d’un nanomoteur de moins de 100nm [3].  2004 : Premier rapport gouvernemental britannique sur les nanosciences et les nanotechnologies, vise à lancer le début public sur les nano, leurs opportunités et leur incertitude [2].  2006 : Inauguration du pole Minatec. C’est le plus grand pole européen consacré aux applications des micros et nanotechnologies [3]. 2) Définitions a. Nanosciences Les Nanosciences, sont les sciences qui visent à étudier et à comprendre les propriétés de la matière à l’échelle de l’atome et de la molécule. Alors que, leur assemblage, caractérisation et manipulation, fait l’objet des Nanotechnologies [4]. b. Nanotechnologies Les nanotechnologies reposent sur la connaissance et la maîtrise de l’infiniment petit. Elles constituent un champ de recherche et de développement impliquant la fabrication de nouveaux dispositifs à partir d’outils ou de technique permettant de structurer la matière au niveau atomique , moléculaire ou supramoléculaire. Les échelles caractéristiques des nanotechnologies vont de 1 à 100 nanomètres (nm) [5]. c. Nanomatériaux Le préfixe nano vient du grecque « nanos » qui signifie « très petit », considéré comme une sous unité de mètre dès 1956 et correspond à un milliardième de mètre (1nm = 10−9 m) [6]. Les nanomatériaux se définissent par le fait qu’ils sont constitués d’un assemblage de particules nanométriques, ils possèdent des propriétés particulières, grâce à une fraction très élevée d’atomes libres situés aux limites de leurs grains, et aussi à leurs taille et structures nanométriques, qui sont inférieures à 100nm. C’est seul par l’utilisation du microscope atomique, la microscopie à transmission électronique ou par la diffraction de rayons X que la taille des grains dans la gamme de nanomatériaux peut être visualisée [5]. Figure 1- L’échelle des dimensions du visible à l’invisible [7]. 3)Les différentes familles de nanomatériaux : Figure 2- La classification des nanomatériaux selon ISO [7]. D’après la plus récente définition, un nanomatériau est un composé dont au moins une propriété physique est à l’échelle nanométrique. Il existe deux grandes familles de nanomatériaux :  Les nano-objets Ils sont des matériaux à deux ou trois dimensions externes se situent à l’échelle nanométrique, entre 1 et 100 nm. Parmi les nano-objets, il est possible de distinguer trois catégories :  Les nanoparticules ou particules ultra-fine (PUF) Qui désignent les 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, etc.… [8].  Les nano-fibres, nanotubes, nano-filaments ou nano-bâtonnets Qui désignent les nano-objets dont deux dimensions externes sont à l’échelle nanométrique et la troisième significativement supérieure : nanotubes de carbone, nano fibres de polyester, nanotubes de bore etc. ces termes désignent des nano-objets longilignes de section comprise entre 1 et quelques dizaines de nanomètre et une longueur comprise entre 500nm de 10000 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…) [9].  Les matériaux nanostructures Les matériaux nanostructures ce sont des matériaux qui possèdent des structures internes ou des surfaces à l’échelle nanométrique. Il est possible de distinguer plusieurs familles des nanostructures parmi lesquelles :  Les agrégats agglomérats de nano-objets Les nano-objets peuvent se présenter soit sous forme individuelle (c’est-à-dire sous forme de particules primaires) ou soit sous forme d’agrégats ou d’agglomérats dont la taille est sensiblement supérieure à 100nm.  Les nanocomposites Ces matériaux sont composés pour tout ou partie de nano-objets qui leurs confèrent des propriétés améliorées ou spécifiques de la dimension nanométrique. Les nano-objets sont incorporés dans une matrice ou sur une surface afin d’apporter une nouvelle fonctionnalité ou modifier certaines propriétés mécaniques, magnétique, thermiques, etc. 4)Classification des nanomatériaux : Les nanomatériaux peuvent être classés en quatre familles selon leurs formes d’utilisation : Matériaux de dimension 0 : matériaux sous forme dispersée, aléatoire ou organisée, comme dans les cristaux colloïdaux pour l’optique ou les fluides magnétiques. Matériaux de dimension 1 : matériaux sous forme de nanofils ou de nanotubes. Matériaux de dimension 2 : matériaux sous forme de couche mince, comme dans les dépôts d’agrégats ou de revêtements épais obtenus par projection plasma ou voie électrochimique. Matériaux de dimension 3 : matériaux sous forme compacte comme dans les céramiques et les métaux nanostructurés. (a) (b) (c) (d) (a) nanoparticules ou amas d’atomes. (b) multicouches constituées de couche d’épaisseur nanométrique. (c) couches simples nanostructurées. (d) matériaux nanocristallins ou nanostructurés à 3D. Figure I.3- Les différentes classes de nanomatériaux en fonction de leur Dimensionnalité selon Siegel (1991) [10]. 5)Différents types de nanomatériaux : Les nano-objets peuvent se présenter sous la forme de particules, fibres ou tubes (on parle de charges ou renforts), de couches minces ou de constituants structurels. Les nano-objets sont utilises soit en tant que tels (comme catalyseur, pour transporter des médicaments, pour le polissage de wafers et disques durs en microélectronique…), soit en vue d’élaborer des matériaux. Ces derniers peuvent être regroupes selon 3 familles de produits : Les matériaux nano-charges ou nano-renforces, Les matériaux nano-structures en surface, Les matériaux nano-structures en volume [11]. Propriétés des nanomatériaux Les propriétés des nanomatériaux justifient leur développement, aux dépends des matériaux normaux constitués des même éléments chimiques grâce aux différentes techniques de synthèse utilisées, on peut en effet obtenir des matériaux plus durs, plus malléables…etc., citons quelques-unes de ces propriétés. Un accent particulier sera porté aux relations entre les caractéristiques granulométriques, morphologiques et structurales des nanomatériaux et leurs propriétés physico-chimiques, les domaines tels que la thermodynamique hors équilibre, la cinétique, la modélisation et la simulation seront considérées. Le spectre des propriétés des nanomatériaux est très vaste : propriétés mécanique, thermiques, nanostructuré aura un module d’élasticité et une dureté plus élevée à haute température. Ainsi, le cuivre devient six fois plus dur lorsqu’on diminue par dix la taille des grains qui le constituent. Propriétés mécaniques La dureté d’un matériau correspond à sa capacité de résister à des pressions pour un métal, plus il est constitué de grains très fins, plus est dur, (figure I.4) ceci est expliqué par la difficulté de génération et de mouvement des dislocation il s’avère aussi que les céramiques nanostructurées sont beaucoup plus malléable que les céramiques classiques, à qui l’on rapproche souvent d’être très fragiles cassantes ; en effet, lorsqu’une fracture se forme dans un bloque solide de céramique, les atomes proches se déplacent et se réarrangeant pour uploads/Science et Technologie/ nanomateriaux.pdf