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Les nouveaux matériaux
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Introduction :
Les méthodes de production industrielles nous permettent aujourd’hui d’élaborer des éléments aux propriétés étonnantes.
Dans un premier temps, nous évoquerons les nanomatériaux et parlerons de leurs applications. Puis nous aborderons les matériaux composites avant de voir les progrès qui ont été faits dans le domaine des céramiques.
Les nanomatériaux
Les nanomatériaux sont composés de nanoparticules, dont la taille est inférieure à . 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.
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.
Du feuillet de graphène au nanotube
Le diamètre d’un tube est de l’ordre du nanomètre. On les classes en deux familles :
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 .
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.
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 :
Les poudres de dioxyde de zirconium sont biocompatibles. Elles ont donc la préférence de l’industrie médicale et servent à fabriquer des prothèses dentaires ou osseuses.
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.
Composite :
Un composite est la somme d’un renfort et d’une matrice :
Un exemple de matériau composite couramment utilisé est le béton armé :
Béton armé
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 %).
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.
Nano-revêtement pour textile
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.
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 :
Liaison céramo-métallique utilisée en restauration odontologique
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 :