Cours : Les nouveaux matériaux

Les nanomatériaux

Les nanomatériaux sont composés de nanoparticules, dont la taille est inférieure à $100\ \text{nm}\ (10^{-7}\ \text m)$. On ne connait pas encore bien toutes les applications ou les risques liés à l’utilisation de ces structures. Une nanoparticule est tellement petite comparée au corps humain qu’elle se comporte comme un gaz (elle peut agir sur le corps par inhalation ou passage percutané).

Pour produire des nanomatériaux, on peut soit assembler des atomes dans un réacteur, soit dégrader de la matière en particules nanométriques.

Les nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone par exemple, sont des matériaux nanostructurés, composés d’assemblages tubulaires cristallins particulièrement résistants.

Astuce

Un élément basé sur une matrice de surface en nanotubes est 100 fois plus résistant que l’acier !

Les nanotubes sont composés de feuillets d’atomes de graphène enroulés sur eux-mêmes. En plus de leur solidité exceptionnelle, ils possèdent des caractéristiques de conductivité électrique et thermique étonnamment élevées.

Le diamètre d’un tube est de l’ordre du nanomètre. On les classes en deux familles :

• les tubes simple feuillet,
• les tubes multi-feuillets.

Le type d’enroulement, droit ou en spirale, déterminera les propriétés électriques de la structure finale.

Un nanomatériau peut être synthétisé à base de métal : on parle alors de nanoparticule métallique.

Les nanoparticules métalliques

On évoque surtout l’or colloïdal et le nano-argent dans ce domaine.

L’or colloïdal s’obtient par réduction chimique d’acide chloraurique $(\text{HAuCl}_4)$.

Astuce

L’or colloïdal était à l’origine utilisé pour teindre la céramique ou le verre. Sa nature anisotrope intéresse aujourd’hui les chercheurs dans le domaine optique et électronique.

Définition

Anisotropie :

L’anisotropie, aussi appelée biréfringence, est la capacité d’un matériau à dévier la lumière selon plusieurs indices de diffraction.

La molécule de l’or colloïdal étant aisément reconnaissable, elle est également porteuse de beaucoup d’espoirs en nano-médecine, où elle sert de traceur.

Le nano-argent a des caractéristiques biocides (au sens étymologique : il tue la vie), il est donc utilisé actuellement dans le domaine agro-alimentaire (pour les emballages), pharmaceutique (en tant que bactéricide), ou dans des pesticides.

Les nano-poudres

Les poudres composées de nanomatériaux sont aujourd’hui utilisées dans de nombreux domaines :

• poudres de zinc dans les nouvelles crèmes solaires,
• poudres de silice en électronique.

Les poudres de dioxyde de zirconium $(\text{ZrO}_2)$ sont biocompatibles. Elles ont donc la préférence de l’industrie médicale et servent à fabriquer des prothèses dentaires ou osseuses.

À retenir

La structure moléculaire a un impact sur les propriétés des matériaux. Il est possible de combiner des matériaux pour associer leurs avantages ou palier leurs faiblesses.

Les matériaux composites

Principe et propriétés

Les matériaux composites sont un assemblage de plusieurs éléments non-miscibles.

• Le produit final va profiter des propriétés complémentaires de chaque composant.

Définition

Composite :

Un composite est la somme d’un renfort et d’une matrice :

• le renfort est le squelette de la structure formée,
• la matrice en est le tissu de remplissage ou la couche superficielle.

Exemple

Un exemple de matériau composite couramment utilisé est le béton armé :

• le renfort est en barres d’acier ;
• la matrice est en béton.

Béton armé

À retenir

Ce principe d’assemblage de matériaux aux densités et résistances différentes, est appelé principe de tenségrité, il permet une plus grande solidité de l’ensemble.

On retrouve ce concept en architecture antisismique, ou même dans le corps humain.

Les nanoparticules sont souvent intégrées au renfort, car leur rapport résistance/légèreté est très appréciable. Le taux de nanoparticules au sein du matériau est très faible (entre 0,5 et 5 %).

Attention

La proportion de nanoparticules est un facteur sensible car, à partir d’un certain seuil, appelé seuil de percolation, on obtient l’effet inverse à celui escompté et la structure se fragilise.

Outre leur résistance exceptionnelle, les matériaux composites offrent d’autres propriétés étonnantes.

Textiles innovants

Certains textiles innovants ont un revêtement nanostructuré qui les protège de l’infiltration d’eau mais aussi de la saleté, de la contamination et des tâches, le tout sans impacter esthétiquement le produit fini puisque la protection est invisible à l’œil nu.

• Ces textiles profitent des qualités résistantes des nanomatériaux mais aussi de leurs caractéristiques lipophobes, hydrophobes et antiadhésives.

Le domaine textile n’est pas le seul a avoir récemment profité d’une progression rapide grâce aux nouvelles technologies. C’est aussi le cas de la céramique.

Néocéramiques

L’art de la céramique englobe de nombreux matériaux tels l’argile, le verre, la porcelaine, ou encore la faïence. En somme, tous les matériaux non organiques ou non métalliques.

Ce sont des matériaux travaillés à haute température et qui se solidifient à température ambiante.

À retenir

Les néocéramiques, aussi appelées céramiques techniques, sont issues de l’alliance entre l’artisanat céramique et la nanotechnologie à échelle industrielle dont l’objectif est d’optimiser les propriétés physiques des produits travaillés.

On distingue trois catégories de néocéramiques :

• les oxydes, qui permettent d’assurer l’adhésion de structures céramo-métalliques par oxydo-réduction dans le cadre de la chirurgie dentaire ;

• les non-oxydes ;
• et les composites, qui sont une combinaison des deux premières familles.

Verres spéciaux

Le verre est une céramique composée d’oxyde de silicium. En intégrant des nanoparticules à cette structure, on peut changer ses propriétés. Dans le cas du verre, matériau transparent, ce sont les propriétés optiques des nanomatériaux qui sont intéressantes, en plus des avantages mécaniques déjà cités.

Parmi les progrès accomplis dans ce domaine on peut citer entre autres :

• les verres photochromiques réversibles, qui deviennent opaques lorsqu’ils sont soumis à une certaine quantité de rayons UV ;
• et les verres vitro-cristallins, extrêmement résistants à la chaleur, qui servent à confectionner du matériel de cuisson.