Nanomatériaux - Nanomaterials

Les nanomatériaux décrivent, en principe, des matériaux dont une seule unité est de petite taille (dans au moins une dimension) comprise entre 1 et 100 nm (définition usuelle de l' échelle nanométrique ).

La recherche sur les nanomatériaux adopte une approche de la nanotechnologie fondée sur la science des matériaux , tirant parti des progrès de la métrologie et de la synthèse des matériaux qui ont été développés à l'appui de la recherche en microfabrication . Les matériaux dont la structure est à l'échelle nanométrique ont souvent des propriétés optiques, électroniques, thermophysiques ou mécaniques uniques.

Les nanomatériaux se commercialisent lentement et commencent à émerger en tant que produits de base.

Définition

Dans l' ISO/TS 80004 , le nanomatériau est défini comme le « matériau ayant une dimension externe quelconque à l'échelle nanométrique ou ayant une structure interne ou une structure de surface à l'échelle nanométrique », l' échelle nanométrique étant définie comme la « plage de longueur approximativement de 1 nm à 100 nm ». Cela inclut à la fois les nano-objets , qui sont des morceaux de matériau discrets, et les matériaux nanostructurés , qui ont une structure interne ou de surface à l'échelle nanométrique ; un nanomatériau peut appartenir à ces deux catégories.

Le 18 octobre 2011, la Commission européenne a adopté la définition suivante d'un nanomatériau : « Un matériau naturel, accidentel ou manufacturé contenant des particules, à l'état non lié ou sous forme d'agrégat ou d'agglomérat et pour 50 % ou plus des particules dans le distribution de la taille des nombres, une ou plusieurs dimensions externes se situent dans la plage de tailles 1 nm - 100 nm. Dans des cas spécifiques et lorsque cela est justifié par des préoccupations pour l'environnement, la santé, la sécurité ou la compétitivité, le seuil de distribution de la taille des nombres de 50 % peut être remplacé par un seuil compris entre 1 % et 50 %.

Sources

Conçu

Les nanomatériaux manipulés ont été délibérément conçus et fabriqués par des humains pour avoir certaines propriétés requises.

Les nanomatériaux hérités sont ceux qui étaient en production commerciale avant le développement de la nanotechnologie en tant qu'avancées progressives par rapport aux autres matériaux colloïdaux ou particulaires. Ils comprennent des nanoparticules de noir de carbone et de dioxyde de titane .

Accessoire

Les nanomatériaux peuvent être involontairement produits en tant que sous-produit de processus mécaniques ou industriels par combustion et vaporisation. Les sources de nanoparticules accidentelles comprennent les gaz d'échappement des moteurs de véhicules, les fonderies, les fumées de soudage, les processus de combustion provenant du chauffage et de la cuisson des combustibles solides domestiques. Par exemple, la classe de nanomatériaux appelés fullerènes est générée par la combustion de gaz, de biomasse et de bougie. Il peut également être un sous-produit des produits d'usure et de corrosion. Les nanoparticules atmosphériques accidentelles sont souvent appelées particules ultrafines , qui sont produites involontairement lors d'une opération intentionnelle et pourraient contribuer à la pollution de l'air .

Naturel

Les systèmes biologiques contiennent souvent des nanomatériaux naturels et fonctionnels. La structure des foraminifères (principalement de la craie) et des virus (protéine, capside ), les cristaux de cire recouvrant une feuille de lotus ou de capucine , la soie d'araignée et de tétranyque, la teinte bleue des mygales, les "spatules" sur le dessous des pieds de gecko , certaines écailles d'ailes de papillon , des colloïdes naturels ( lait , sang ), des matériaux cornés ( peau , griffes , becs , plumes , cornes , cheveux ), du papier , du coton , de la nacre , des coraux et même notre propre matrice osseuse sont tous des nanomatériaux organiques naturels .

Les nanomatériaux inorganiques naturels se produisent par croissance cristalline dans les diverses conditions chimiques de la croûte terrestre . Par exemple, les argiles présentent des nanostructures complexes en raison de l'anisotropie de leur structure cristalline sous-jacente, et l'activité volcanique peut donner naissance à des opales , qui sont un exemple de cristaux photoniques naturels en raison de leur structure nanométrique. Les incendies représentent des réactions particulièrement complexes et peuvent produire des pigments , du ciment , de la silice pyrogénée etc.

Les sources naturelles de nanoparticules comprennent les produits de combustion, les incendies de forêt, les cendres volcaniques, les embruns océaniques et la désintégration radioactive du gaz radon . Les nanomatériaux naturels peuvent également être formés par des processus d'altération de roches contenant des métaux ou des anions, ainsi que sur les sites de drainage minier acide .

Galerie de nanomatériaux naturels

virale capside
" Effet Lotus ", effet hydrophobe avec capacité d'auto-nettoyage
Gros plan du dessous du pied d'un gecko marchant sur une paroi de verre (spatule : 200 × 10-15 nm)
Micrographie SEM d'une échelle d'aile de papillon (× 5000)
Plume de paon (détail)
Opale de cristal brésilienne. Le jeu de couleur est causé par l'interférence et la diffraction de la lumière entre les sphères de silice (150 - 300 nm de diamètre).
Teinte bleue d'une espèce de tarentule (450 nm ± 20 nm)

Les types

Les nano-objets sont souvent classés en fonction du nombre de leurs dimensions à l'échelle nanométrique. Une nanoparticule est définie comme un nano-objet avec les trois dimensions externes à l'échelle nanométrique, dont les axes les plus longs et les plus courts ne diffèrent pas de manière significative. Une nanofibre a deux dimensions externes à l'échelle nanométrique, les nanotubes étant des nanofibres creuses et les nanotiges étant des nanofibres solides. Une nanoplaque/nanofeuille a une dimension externe à l'échelle nanométrique, et si les deux plus grandes dimensions sont significativement différentes, on l'appelle un nanoruban . Pour les nanofibres et les nanoplaques, les autres dimensions peuvent être ou non à l'échelle nanométrique, mais doivent être significativement plus grandes. Dans tous les cas, une différence significative est notée pour être typiquement au moins un facteur de 3.

Les matériaux nanostructurés sont souvent classés selon les phases de matière qu'ils contiennent. Un nanocomposite est un solide contenant au moins une région physiquement ou chimiquement distincte, ou un ensemble de régions, ayant au moins une dimension à l'échelle nanométrique. Une nanomousse a une matrice liquide ou solide, remplie d'une phase gazeuse, où l'une des deux phases a des dimensions à l'échelle nanométrique. Un matériau nanoporeux est un matériau solide contenant des nanopores , des vides sous forme de pores ouverts ou fermés d'échelles submicroniques. Un matériau nanocristallin a une fraction significative de grains cristallins à l'échelle nanométrique.

Matériaux nanoporeux

Le terme matériaux nanoporeux contient des sous-ensembles de matériaux microporeux et mésoporeux. Les matériaux microporeux sont des matériaux poreux dont la taille moyenne des pores est inférieure à 2 nm, tandis que les matériaux mésoporeux sont ceux dont la taille des pores est comprise entre 2 et 50 nm. Les matériaux microporeux présentent des tailles de pores avec une échelle de longueur comparable à celle des petites molécules. Pour cette raison, de tels matériaux peuvent servir à des applications intéressantes, y compris les membranes de séparation. Les matériaux mésoporeux sont intéressants vers des applications qui nécessitent des surfaces spécifiques élevées, tout en permettant la pénétration de molécules qui peuvent être trop grosses pour entrer dans les pores d'un matériau microporeux. Dans certaines sources, les matériaux nanoporeux et la nanomousse sont parfois considérés comme des nanostructures mais pas des nanomatériaux car seuls les vides et non les matériaux eux-mêmes sont à l'échelle nanométrique. Bien que la définition ISO ne considère que les nano-objets ronds comme des nanoparticules , d'autres sources utilisent le terme nanoparticule pour toutes les formes.

Nanoparticules

Les nanoparticules ont les trois dimensions à l'échelle nanométrique. Les nanoparticules peuvent également être incorporées dans un solide en vrac pour former un nanocomposite.

Fullerènes

Les fullerènes sont une classe d' allotropes de carbone qui sont conceptuellement des feuilles de graphène roulées en tubes ou en sphères. Il s'agit notamment des nanotubes de carbone (ou nanotubes de silicium ) qui présentent un intérêt à la fois en raison de leur résistance mécanique et également en raison de leurs propriétés électriques.

Vue tournante du C ₆₀ , une sorte de fullerène

La première molécule de fullerène à être découverte, et l'homonyme de la famille, le buckminsterfullerene (C ₆₀ ), a été préparée en 1985 par Richard Smalley , Robert Curl , James Heath , Sean O'Brien et Harold Kroto à l'Université Rice . Le nom était un hommage à Buckminster Fuller , dont il ressemble aux dômes géodésiques . Les fullerènes ont depuis été trouvés dans la nature. Plus récemment, des fullerènes ont été détectés dans l'espace.

Au cours de la dernière décennie, les propriétés chimiques et physiques des fullerènes ont été un sujet brûlant dans le domaine de la recherche et du développement, et devraient continuer de l'être pendant longtemps. En avril 2003, les fullerènes étaient à l'étude pour une utilisation médicinale potentielle : lier des antibiotiques spécifiques à la structure des bactéries résistantes et même cibler certains types de cellules cancéreuses comme le mélanome . Le numéro d'octobre 2005 de Chemistry and Biology contient un article décrivant l'utilisation des fullerènes comme agents antimicrobiens activés par la lumière . Dans le domaine des nanotechnologies , la résistance à la chaleur et la supraconductivité font partie des propriétés attirant des recherches intenses.

Une méthode couramment utilisée pour produire des fullerènes consiste à envoyer un courant important entre deux électrodes de graphite voisines dans une atmosphère inerte. L' arc de plasma de carbone résultant entre les électrodes se refroidit en un résidu de suie à partir duquel de nombreux fullerènes peuvent être isolés.

De nombreux calculs ont été effectués à l'aide de méthodes quantiques ab-initio appliquées aux fullerènes. Par les méthodes DFT et TDDFT, on peut obtenir des spectres IR , Raman et UV . Les résultats de ces calculs peuvent être comparés aux résultats expérimentaux.

Nanoparticules à base de métal

Les nanomatériaux inorganiques (par exemple les points quantiques , les nanofils et les nanotiges ) en raison de leurs propriétés optiques et électriques intéressantes, pourraient être utilisés en optoélectronique . De plus, les propriétés optiques et électroniques des nanomatériaux qui dépendent de leur taille et de leur forme peuvent être ajustées via des techniques de synthèse. Il existe des possibilités d'utiliser ces matériaux dans des dispositifs optoélectroniques à base de matériaux organiques tels que les cellules solaires organiques , les OLED, etc. Les principes de fonctionnement de ces dispositifs sont régis par des processus photo-induits tels que le transfert d'électrons et le transfert d'énergie. Les performances des dispositifs dépendent de l'efficacité du processus photo-induit responsable de leur fonctionnement. Par conséquent, une meilleure compréhension de ces processus photo-induits dans les systèmes composites de nanomatériaux organiques/inorganiques est nécessaire afin de les utiliser dans des dispositifs optoélectroniques.

Les nanoparticules ou nanocristaux constitués de métaux, de semi-conducteurs ou d'oxydes présentent un intérêt particulier pour leurs propriétés mécaniques, électriques, magnétiques, optiques, chimiques et autres. Les nanoparticules ont été utilisées comme points quantiques et comme catalyseurs chimiques tels que les catalyseurs à base de nanomatériaux . Récemment, une gamme de nanoparticules a fait l'objet d'études approfondies pour des applications biomédicales , notamment l' ingénierie tissulaire , l'administration de médicaments et les biocapteurs .

Les nanoparticules sont d'un grand intérêt scientifique car elles constituent effectivement un pont entre les matériaux en vrac et les structures atomiques ou moléculaires . Un matériau en vrac doit avoir des propriétés physiques constantes quelle que soit sa taille, mais à l'échelle nanométrique, ce n'est souvent pas le cas. Des propriétés dépendantes de la taille sont observées telles que le confinement quantique dans les particules semi-conductrices , la résonance plasmonique de surface dans certaines particules métalliques et le superparamagnétisme dans les matériaux magnétiques .

Les nanoparticules présentent un certain nombre de propriétés spéciales par rapport aux matériaux en vrac. Par exemple, la courbure du cuivre massif (fil, ruban, etc.) se produit avec le mouvement des atomes/amas de cuivre à une échelle d'environ 50 nm. Les nanoparticules de cuivre inférieures à 50 nm sont considérées comme des matériaux super durs qui ne présentent pas la même malléabilité et la même ductilité que le cuivre massif. Le changement de propriétés n'est pas toujours souhaitable. Les matériaux ferroélectriques inférieurs à 10 nm peuvent changer leur direction de polarisation en utilisant l'énergie thermique à température ambiante, les rendant ainsi inutiles pour le stockage en mémoire. Les suspensions de nanoparticules sont possibles car l'interaction de la surface des particules avec le solvant est suffisamment forte pour surmonter les différences de densité , qui entraînent généralement un matériau soit en train de couler, soit de flotter dans un liquide. Les nanoparticules ont souvent des propriétés visuelles inattendues car elles sont suffisamment petites pour confiner leurs électrons et produire des effets quantiques. Par exemple, les nanoparticules d'or apparaissent rouge foncé à noir en solution.

Le rapport surface/volume souvent très élevé des nanoparticules fournit une force motrice énorme pour la diffusion , en particulier à des températures élevées. Le frittage est possible à des températures plus basses et sur des durées plus courtes que pour les particules plus grosses. Cela n'affecte théoriquement pas la densité du produit final, bien que les difficultés d'écoulement et la tendance des nanoparticules à s'agglomérer compliquent les choses. Les effets de surface des nanoparticules réduisent également la température de fusion naissante .

Nanostructures unidimensionnelles

Les fils cristallins les plus petits possibles avec une section aussi petite qu'un seul atome peuvent être conçus dans un confinement cylindrique. Les nanotubes de carbone , une nanostructure naturelle semi-1D, peuvent être utilisés comme modèle pour la synthèse. Le confinement assure une stabilisation mécanique et empêche la désintégration des chaînes atomiques linéaires ; d'autres structures de nanofils 1D devraient être mécaniquement stables même après isolement des modèles.

Nanostructures bidimensionnelles

Les matériaux 2D sont des matériaux cristallins constitués d'une seule couche bidimensionnelle d'atomes. Le graphène représentatif le plus important a été découvert en 2004. Les films minces d'épaisseur nanométrique sont considérés comme des nanostructures, mais ne sont parfois pas considérés comme des nanomatériaux car ils n'existent pas séparément du substrat.

Matériaux nanostructurés en vrac

Certains matériaux en vrac contiennent des caractéristiques à l'échelle nanométrique, notamment des nanocomposites , des matériaux nanocristallins , des films nanostructurés et des surfaces nanotexturées .

La nanostructure de graphène en forme de boîte (BSG) est un exemple de nanomatériau 3D. La nanostructure BSG est apparue après clivage mécanique du graphite pyrolytique . Cette nanostructure est un système multicouche de nanocanaux creux parallèles situés le long de la surface et ayant une section transversale quadrangulaire. L'épaisseur des parois des canaux est approximativement égale à 1 nm. La largeur typique des facettes du canal fait environ 25 nm.

Applications

Les nanomatériaux sont utilisés dans une variété de procédés de fabrication, de produits et de soins de santé, notamment les peintures, les filtres, les isolants et les additifs lubrifiants. Dans le domaine de la santé Les nanozymes sont des nanomatériaux aux caractéristiques enzymatiques. Il s'agit d'un type émergent d' enzyme artificielle , qui a été utilisé pour de larges applications telles que la biodétection, la bioimagerie, le diagnostic de tumeur, l'antibiofouling et plus encore. Des filtres de haute qualité peuvent être produits à l'aide de nanostructures, ces filtres sont capables d'éliminer des particules aussi petites qu'un virus comme on le voit dans un filtre à eau créé par Seldon Technologies. Les bioréacteurs à membrane à nanomatériaux (NMs-MBR), la prochaine génération de MBR conventionnels , ont récemment été proposés pour le traitement avancé des eaux usées. Dans le domaine de la purification de l'air, la nanotechnologie a été utilisée pour lutter contre la propagation du MERS dans les hôpitaux d'Arabie saoudite en 2012. Les nanomatériaux sont utilisés dans les technologies d'isolation modernes et sans danger pour l'homme, dans le passé, ils ont été trouvés dans l'isolation à base d'amiante. En tant qu'additif lubrifiant, les nanomatériaux ont la capacité de réduire la friction dans les pièces mobiles. Les pièces usées et corrodées peuvent également être réparées avec des nanoparticules anisotropes auto-assemblées appelées TriboTEX. Les nanomatériaux ont également été appliqués dans une gamme d'industries et de produits de consommation. Des nanoparticules minérales telles que l'oxyde de titane ont été utilisées pour améliorer la protection UV dans les crèmes solaires. Dans l'industrie du sport, des raquettes plus légères ont été produites avec des nanotubes de carbone pour améliorer les performances. Une autre application est dans l'armée, où des nanoparticules pigmentaires mobiles ont été utilisées pour créer un camouflage plus efficace. Les nanomatériaux peuvent également être utilisés dans des applications de catalyseur à trois voies (TWC). Les convertisseurs TWC ont l'avantage de contrôler les émissions d'oxydes d'azote (NOx), précurseurs des pluies acides et du smog. Dans la structure cœur-coquille, les nanomatériaux forment une coquille comme support de catalyseur pour protéger les métaux nobles tels que le palladium et le rhodium. La fonction principale est que les supports peuvent être utilisés pour transporter des composants actifs de catalyseurs, les rendant hautement dispersés, réduisant l'utilisation de métaux nobles, améliorant l'activité des catalyseurs et améliorant la résistance mécanique.

Synthèse

L'objectif de toute méthode de synthèse pour les nanomatériaux est de produire un matériau qui présente des propriétés résultant du fait que leur échelle de longueur caractéristique est de l'ordre du nanomètre (1 à 100 nm). En conséquence, la méthode de synthèse doit présenter un contrôle de la taille dans cette plage de sorte qu'une propriété ou une autre puisse être atteinte. Souvent, les méthodes sont divisées en deux types principaux, "de bas en haut" et "de haut en bas".

Méthodes ascendantes

Les méthodes ascendantes impliquent l'assemblage d'atomes ou de molécules en réseaux nanostructurés. Dans ces méthodes, les sources de matières premières peuvent être sous forme de gaz, de liquides ou de solides. Ces derniers nécessitent une sorte de démontage avant leur incorporation sur une nanostructure. Les méthodes ascendantes se répartissent généralement en deux catégories : chaotiques et contrôlées.

Les processus chaotiques impliquent d'élever les atomes ou molécules constitutifs à un état chaotique, puis de changer soudainement les conditions de manière à rendre cet état instable. Grâce à la manipulation intelligente d'un certain nombre de paramètres, les produits se forment en grande partie en raison de la cinétique d'assurance. L'effondrement de l'état chaotique peut être difficile ou impossible à contrôler et les statistiques d'ensemble régissent donc souvent la distribution des tailles et la taille moyenne qui en résultent. En conséquence, la formation de nanoparticules est contrôlée par la manipulation de l'état final des produits. Des exemples de processus chaotiques sont l'ablation au laser, l'explosion de fil, l'arc, la pyrolyse à la flamme, la combustion et les techniques de synthèse par précipitation.

Les processus contrôlés impliquent la livraison contrôlée des atomes ou molécules constitutifs au(x) site(s) de formation de nanoparticules de telle sorte que la nanoparticule puisse croître jusqu'à des tailles prescrites de manière contrôlée. Généralement, l'état des atomes ou molécules constitutifs n'est jamais loin de celui nécessaire à la formation des nanoparticules. En conséquence, la formation de nanoparticules est contrôlée par le contrôle de l'état des réactifs. Des exemples de processus contrôlés sont la solution de croissance auto-limitée , le dépôt chimique en phase vapeur auto-limité , les techniques laser femtoseconde à impulsions formées et l'épitaxie par faisceau moléculaire .

Méthodes descendantes

Les méthodes descendantes adoptent une certaine « force » (par exemple, force mécanique, laser) pour briser les matériaux en vrac en nanoparticules. Une méthode populaire impliquant la séparation mécanique des matériaux en vrac en nanomatériaux est le « broyage à billes ». En outre, les nanoparticules peuvent également être fabriquées par ablation laser qui appliquent des lasers à impulsions courtes (par exemple un laser femtoseconde) pour procéder à l'ablation d'une cible (solide).

Caractérisation

De nouveaux effets peuvent se produire dans les matériaux lorsque des structures sont formées avec des tailles comparables à l'une des nombreuses échelles de longueur possibles , telles que la longueur d' onde de Broglie des électrons ou les longueurs d'onde optiques des photons de haute énergie. Dans ces cas, les effets de la mécanique quantique peuvent dominer les propriétés des matériaux. Un exemple est le confinement quantique où les propriétés électroniques des solides sont altérées avec de grandes réductions de la taille des particules. Les propriétés optiques des nanoparticules, par exemple la fluorescence , deviennent également fonction du diamètre des particules. Cet effet n'intervient pas en passant des dimensions macroscopiques aux dimensions micrométriques, mais s'accentue lorsque l'on atteint l'échelle nanométrique.

En plus des propriétés optiques et électroniques, les nouvelles propriétés mécaniques de nombreux nanomatériaux font l'objet de recherches en nanomécanique . Lorsqu'elles sont ajoutées à un matériau en vrac, les nanoparticules peuvent fortement influencer les propriétés mécaniques du matériau, telles que la rigidité ou l'élasticité. Par exemple, les polymères traditionnels peuvent être renforcés par des nanoparticules (telles que des nanotubes de carbone ) résultant en de nouveaux matériaux qui peuvent être utilisés comme substituts légers des métaux. De tels matériaux composites peuvent permettre une réduction de poids accompagnée d'une augmentation de la stabilité et d'une fonctionnalité améliorée.

Enfin, les matériaux nanostructurés à petite taille de particules tels que les zéolites et l' amiante sont utilisés comme catalyseurs dans un large éventail de réactions chimiques industrielles critiques. Le développement ultérieur de tels catalyseurs peut constituer la base de procédés chimiques plus efficaces et respectueux de l'environnement.

Les premières observations et mesures de taille de nanoparticules ont été faites au cours de la première décennie du 20e siècle. Zsigmondy a réalisé des études détaillées sur les sols d'or et d'autres nanomatériaux avec des tailles allant jusqu'à 10 nm et moins. Il a publié un livre en 1914. Il a utilisé un ultramicroscope qui utilise une méthode de champ sombre pour voir des particules avec des tailles bien inférieures à la longueur d' onde de la lumière .

Il existe des techniques traditionnelles développées au cours du 20ème siècle dans la science des interfaces et des colloïdes pour caractériser les nanomatériaux. Ceux-ci sont largement utilisés pour les nanomatériaux passifs de première génération spécifiés dans la section suivante.

Ces méthodes comprennent plusieurs techniques différentes pour caractériser la distribution granulométrique . Cette caractérisation est impérative car de nombreux matériaux qui devraient être de taille nanométrique sont en fait agrégés dans des solutions. Certaines méthodes sont basées sur la diffusion de la lumière . D'autres appliquent les ultrasons , comme la spectroscopie d'atténuation des ultrasons pour tester les nanodispersions et les microémulsions concentrées.

Il existe également un groupe de techniques traditionnelles pour caractériser la charge de surface ou le potentiel zêta des nanoparticules en solution. Ces informations sont nécessaires pour une bonne stabilisation du système, empêchant son agrégation ou sa floculation . Ces méthodes comprennent la microélectrophorèse , la diffusion électrophorétique de la lumière et l' électroacoustique . La dernière, par exemple la méthode du courant de vibration colloïdale , est adaptée à la caractérisation des systèmes concentrés.

Uniformité

Le traitement chimique et la synthèse de composants technologiques de haute performance pour les secteurs privé, industriel et militaire nécessitent l'utilisation de céramiques , polymères , vitrocéramiques et matériaux composites de haute pureté . Dans les corps condensés formés à partir de poudres fines, les tailles et formes irrégulières des nanoparticules dans une poudre typique conduisent souvent à des morphologies de tassement non uniformes qui entraînent des variations de densité de tassement dans le compact de poudre.

L' agglomération incontrôlée des poudres due aux forces attractives de van der Waals peut également donner lieu à des inhomogénéités microstructurales. Les contraintes différentielles qui se développent à la suite d'un retrait de séchage non uniforme sont directement liées à la vitesse à laquelle le solvant peut être éliminé, et dépendent donc fortement de la répartition de la porosité . De telles contraintes ont été associées à une transition plastique-fragile dans les corps consolidés, et peuvent céder à la propagation de fissures dans le corps non cuit si elles ne sont pas soulagées.

De plus, toute fluctuation de la densité de compactage dans le compact tel qu'il est préparé pour le four sont souvent amplifiées pendant le processus de frittage , ce qui entraîne une densification non homogène. Il a été démontré que certains pores et autres défauts structurels associés aux variations de densité jouent un rôle préjudiciable dans le processus de frittage en augmentant et en limitant ainsi les densités finales. Il a également été démontré que les contraintes différentielles résultant d'une densification non homogène entraînent la propagation de fissures internes, devenant ainsi les défauts contrôlant la résistance.

Il semblerait donc souhaitable de traiter un matériau de manière à ce qu'il soit physiquement uniforme en ce qui concerne la distribution des composants et la porosité, plutôt que d'utiliser des distributions granulométriques qui maximiseront la densité verte. Le confinement d'un assemblage uniformément dispersé de particules fortement interagissant en suspension nécessite un contrôle total sur les interactions particule-particule. Un certain nombre de dispersants tels que le citrate d'ammonium (aqueux) et l'imidazoline ou l' alcool oléique (non aqueux) sont des solutions prometteuses comme additifs possibles pour une dispersion et une désagglomération améliorées. Les nanoparticules monodisperses et les colloïdes offrent ce potentiel.

Des poudres monodisperses de silice colloïdale , par exemple, peuvent donc être suffisamment stabilisées pour assurer un degré d'ordre élevé dans le cristal colloïdal ou le solide colloïdal polycristallin qui résulte de l'agrégation. Le degré d'ordre semble être limité par le temps et l'espace alloués à l'établissement de corrélations à plus long terme. De telles structures colloïdales polycristallines défectueuses semblent être les éléments de base de la science des matériaux colloïdaux submicrométriques et, par conséquent, fournir la première étape pour développer une compréhension plus rigoureuse des mécanismes impliqués dans l'évolution microstructurale des matériaux et composants à haute performance.

Les nanomatériaux dans les articles, les brevets et les produits

L'analyse quantitative des nanomatériaux a montré que les nanoparticules, les nanotubes, les matériaux nanocristallins, les nanocomposites et le graphène ont été mentionnés dans 400000, 181000, 144000, 140000 et 119000 articles indexés ISI, respectivement, en septembre 2018. En ce qui concerne les brevets, les nanoparticules, les nanotubes, les nanocomposites, le graphène et les nanofils ont joué un rôle dans 45600, 32100, 12700, 12500 et 11800 brevets, respectivement. La surveillance d'environ 7000 produits commerciaux à base de nanoparticules disponibles sur les marchés mondiaux a révélé que les propriétés d'environ 2330 produits ont été activées ou améliorées grâce aux nanoparticules. Les liposomes, les nanofibres, les nanocolloïdes et les aérogels étaient également les nanomatériaux les plus courants dans les produits de consommation.

L' Observatoire de l'Union européenne pour les nanomatériaux (EUON) a créé une base de données ( NanoData ) qui fournit des informations sur des brevets, des produits et des publications de recherche spécifiques sur les nanomatériaux.

Santé et sécurité

Lignes directrices de l'Organisation mondiale de la santé

L'Organisation mondiale de la santé (OMS) a publié fin 2017 une directive sur la protection des travailleurs contre les risques potentiels des nanomatériaux manufacturés. L'OMS a utilisé une approche de précaution comme l'un de ses principes directeurs. Cela signifie que l'exposition doit être réduite, malgré l'incertitude quant aux effets néfastes sur la santé, lorsqu'il existe des indications raisonnables pour le faire. Ceci est mis en évidence par des études scientifiques récentes qui démontrent une capacité des nanoparticules à traverser les barrières cellulaires et à interagir avec les structures cellulaires. De plus, la hiérarchie des contrôles était un principe directeur important. Cela signifie que lorsqu'il y a un choix entre des mesures de contrôle, les mesures les plus proches de la racine du problème doivent toujours être préférées aux mesures qui font peser une plus grande charge sur les travailleurs, telles que l'utilisation d'équipements de protection individuelle (EPI). L'OMS a commandé des examens systématiques pour toutes les questions importantes afin d'évaluer l'état actuel de la science et d'éclairer les recommandations conformément au processus défini dans le Manuel de l'OMS pour l'élaboration de lignes directrices. Les recommandations ont été classées comme « fortes » ou « conditionnelles » en fonction de la qualité des preuves scientifiques, des valeurs et des préférences, et des coûts liés à la recommandation.

Les directives de l'OMS contiennent les recommandations suivantes pour une manipulation sûre des nanomatériaux manufacturés (MNM)

A. Évaluer les risques pour la santé des NMM

L'OMS recommande d'attribuer des classes de danger à tous les NMM conformément au Système général harmonisé (SGH) de classification et d'étiquetage des produits chimiques à utiliser dans les fiches de données de sécurité. Pour un nombre limité de MNM, ces informations sont disponibles dans les lignes directrices (forte recommandation, preuves de qualité moyenne).
L'OMS recommande de mettre à jour les fiches de données de sécurité avec des informations sur les dangers spécifiques aux NMM ou d'indiquer quels critères toxicologiques n'avaient pas de tests adéquats disponibles (recommandation forte, preuves de qualité moyenne).
Pour les groupes de fibres respirables et de particules granulaires biopersistantes, le GDG suggère d'utiliser la classification disponible des MNM pour la classification provisoire des nanomatériaux du même groupe (recommandation conditionnelle, preuves de faible qualité).

B. Évaluer l'exposition aux NMM

L'OMS suggère d'évaluer l'exposition des travailleurs sur les lieux de travail avec des méthodes similaires à celles utilisées pour la valeur limite d'exposition professionnelle spécifique (VLEP) proposée de la NMM (recommandation conditionnelle, preuves de faible qualité).
Étant donné qu'il n'existe pas de valeurs VLEP réglementaires spécifiques pour les NMM sur les lieux de travail, l'OMS suggère d'évaluer si l'exposition sur le lieu de travail dépasse une valeur VLEP proposée pour les NMM. Une liste des valeurs VLEP proposées est fournie en annexe des lignes directrices. La VLEP choisie doit être au moins aussi protectrice qu'une VLEP légalement obligatoire pour la forme en vrac du matériel (recommandation conditionnelle, preuves de faible qualité).
Si des VLEP spécifiques pour les NMM ne sont pas disponibles sur les lieux de travail, l'OMS suggère une approche par étapes pour l'exposition par inhalation avec, d'abord une évaluation du potentiel d'exposition ; deuxièmement, effectuer une évaluation de l'exposition de base et troisièmement, effectuer une évaluation complète de l'exposition telle que celles proposées par l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) ou le Comité européen de normalisation (le Comité européen de normalisation, CEN) (recommandation conditionnelle, preuves de qualité moyenne ).
Pour l'évaluation de l'exposition cutanée, l'OMS a constaté qu'il n'y avait pas suffisamment de preuves pour recommander une méthode d'évaluation de l'exposition cutanée plutôt qu'une autre.

C. Contrôler l'exposition aux NMM

Sur la base d'une approche de précaution, l'OMS recommande d'axer le contrôle de l'exposition sur la prévention de l'exposition par inhalation dans le but de la réduire au maximum (recommandation forte, preuves de qualité moyenne).
L'OMS recommande de réduire les expositions à une gamme de NMM qui ont été systématiquement mesurées sur les lieux de travail, en particulier lors du nettoyage et de l'entretien, de la collecte des matériaux des réacteurs et de l'introduction des NMM dans le processus de production. En l'absence d'informations toxicologiques, l'OMS recommande de mettre en place le plus haut niveau de contrôle pour éviter toute exposition des travailleurs. Lorsque davantage d'informations sont disponibles, l'OMS recommande d'adopter une approche plus adaptée (recommandation forte, preuves de qualité moyenne).
L'OMS recommande de prendre des mesures de contrôle basées sur le principe de la hiérarchie des contrôles, ce qui signifie que la première mesure de contrôle devrait être d'éliminer la source d'exposition avant de mettre en œuvre des mesures de contrôle qui dépendent davantage de l'implication des travailleurs, les EPI n'étant utilisés qu'en dernier recours. Selon ce principe, des contrôles techniques devraient être utilisés lorsqu'il y a un niveau élevé d'exposition par inhalation ou lorsqu'il n'y a pas ou très peu d'informations toxicologiques disponibles. En l'absence de contrôles techniques appropriés, l'EPI doit être utilisé, en particulier la protection respiratoire, dans le cadre d'un programme de protection respiratoire qui comprend des tests d'ajustement (forte recommandation, preuves de qualité moyenne).
L'OMS suggère de prévenir l'exposition cutanée par des mesures d'hygiène au travail telles que le nettoyage des surfaces et l'utilisation de gants appropriés (recommandation conditionnelle, preuves de faible qualité).
Lorsque l'évaluation et la mesure par un expert en sécurité au travail ne sont pas disponibles, l'OMS suggère d'utiliser des bandes de contrôle pour les nanomatériaux afin de sélectionner des mesures de contrôle de l'exposition sur le lieu de travail. En raison d'un manque d'études, l'OMS ne peut pas recommander une méthode de contrôle par bandes par rapport à une autre (recommandation conditionnelle, preuves de très faible qualité).

Pour la surveillance de la santé, l'OMS n'a pas pu faire de recommandation pour des programmes de surveillance de la santé ciblés spécifiques aux NMM par rapport aux programmes de surveillance de la santé existants qui sont déjà utilisés en raison du manque de preuves. L'OMS considère que la formation des travailleurs et la participation des travailleurs aux questions de santé et de sécurité sont les meilleures pratiques, mais n'a pas pu recommander une forme de formation des travailleurs plutôt qu'une autre, ou une forme de participation des travailleurs plutôt qu'une autre, en raison du manque d'études disponibles. On s'attend à ce qu'il y ait des progrès considérables dans les méthodes de mesure validées et l'évaluation des risques et l'OMS prévoit de mettre à jour ces directives dans cinq ans, en 2022.

Autres conseils

La nanotechnologie étant un développement récent, les effets sur la santé et la sécurité des expositions aux nanomatériaux et les niveaux d'exposition pouvant être acceptables font l'objet de recherches en cours. Parmi les dangers possibles, l' exposition par inhalation semble être la plus préoccupante. Des études animales indiquent que les nanotubes de carbone et les nanofibres de carbone peuvent provoquer des effets pulmonaires, notamment une inflammation , des granulomes et une fibrose pulmonaire , qui étaient d'une puissance similaire ou supérieure à celle d'autres matériaux fibrogènes connus tels que la silice , l' amiante et le noir de carbone ultrafin . L'exposition aiguë par inhalation d'animaux sains à des nanomatériaux inorganiques biodégradables n'a pas démontré d'effets toxiques significatifs. Bien que la mesure dans laquelle les données animales peuvent prédire des effets pulmonaires cliniquement significatifs chez les travailleurs ne soit pas connue, la toxicité observée dans les études animales à court terme indique la nécessité d'une action de protection pour les travailleurs exposés à ces nanomatériaux, bien qu'aucun rapport d'effets nocifs réels sur la santé n'ait été signalé. chez les travailleurs utilisant ou produisant ces nanomatériaux étaient connus depuis 2013. Les autres préoccupations incluent le contact avec la peau et l'exposition par ingestion, ainsi que les risques d' explosion de poussière .

L'élimination et la substitution sont les approches les plus souhaitables pour le contrôle des risques . Bien que les nanomatériaux eux-mêmes ne puissent souvent pas être éliminés ou remplacés par des matériaux conventionnels, il peut être possible de choisir des propriétés de la nanoparticule telles que la taille , la forme , la fonctionnalisation , la charge de surface , la solubilité , l' agglomération et l'état d'agrégation pour améliorer leurs propriétés toxicologiques tout en conservant le fonctionnalité souhaitée. Les procédures de traitement peuvent également être améliorées, par exemple, en utilisant un nanomatériau bouillie ou suspension dans un solvant liquide au lieu d'une poudre sèche pour réduire l' exposition à la poussière. Les contrôles techniques sont des modifications physiques apportées au lieu de travail qui isolent les travailleurs des dangers, principalement les systèmes de ventilation tels que les hottes , les boîtes à gants , les enceintes de biosécurité et les enceintes d'équilibrage ventilées . Les contrôles administratifs sont des modifications du comportement des travailleurs pour atténuer un danger, y compris une formation sur les meilleures pratiques pour une manipulation, un stockage et une élimination sûrs des nanomatériaux, une bonne sensibilisation aux dangers grâce à l'étiquetage et à la signalisation d'avertissement, et l'encouragement d'une culture générale de la sécurité . L'équipement de protection individuelle doit être porté sur le corps du travailleur et constitue l'option la moins souhaitable pour contrôler les risques. L'équipement de protection individuelle normalement utilisé pour les produits chimiques typiques est également approprié pour les nanomatériaux, y compris les pantalons longs, les chemises à manches longues et les chaussures fermées, ainsi que l'utilisation de gants de sécurité , de lunettes de protection et de blouses de laboratoire imperméables . Dans certaines circonstances, des respirateurs peuvent être utilisés.

L'évaluation de l'exposition est un ensemble de méthodes utilisées pour surveiller les rejets de contaminants et l'exposition des travailleurs. Ces méthodes comprennent l'échantillonnage personnel, où les échantillonneurs sont situés dans la zone de respiration personnelle du travailleur, souvent attachés à un col de chemise pour être aussi près que possible du nez et de la bouche; et l'échantillonnage de la zone/de l'arrière-plan, où ils sont placés à des emplacements statiques. L'évaluation devrait utiliser à la fois des compteurs de particules , qui surveillent en temps réel la quantité de nanomatériaux et d'autres particules de fond ; et des échantillons à base de filtres, qui peuvent être utilisés pour identifier le nanomatériau, généralement en utilisant la microscopie électronique et l'analyse élémentaire . En 2016, les limites quantitatives d' exposition professionnelle n'ont pas été déterminées pour la plupart des nanomatériaux. L' Institut national américain pour la sécurité et la santé au travail a déterminé les limites d'exposition non réglementaires recommandées pour les nanotubes de carbone , les nanofibres de carbone et le dioxyde de titane ultrafin . Des agences et organisations d'autres pays, dont le British Standards Institute et l' Institute for Occupational Safety and Health en Allemagne, ont établi des VLEP pour certains nanomatériaux, et certaines entreprises ont fourni des VLEP pour leurs produits.

Voir également

Les références

Liens externes

Observatoire de l'Union européenne pour les nanomatériaux (EUON)
Acquisition, évaluation et présentation orientée vers le public de données et de découvertes pertinentes pour la société pour les nanomatériaux (DaNa)
Sécurité des nanomatériaux manufacturés : Direction de l'environnement de l'OCDE
Évaluation des risques pour la santé des nanomatériaux résumé par GreenFacts de l'évaluation SCENIHR de la Commission européenne
Société internationale des liposomes
Laboratoire de nanotechnologie des textiles à l'Université Cornell
Article de IOP.org
Matériau nanostructuré
Cours en ligne MSE 376-Nanomaterials par Mark C. Hersam (2006)
Nanomaterials: Quantum Dots, Nanowires and Nanotubes présentation en ligne par Dr Sands
Vidéos de conférence pour le deuxième symposium international sur l'évaluation des risques des nanomatériaux manufacturés , NEDO 2012
Nader Engheta : Interaction des ondes avec les métamatériaux , SPIE Newsroom 2016
Gestion des nanomatériaux sur le lieu de travail par l' Agence européenne pour la sécurité et la santé au travail .

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