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Nanoparticule

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Nanopoudre de silicium.Nanodiamants, comme observé au microscope électronique à transmission.

En nanotechnologie, une particule est définie comme un petit objet qui se comporte comme une unité en termes de transport et de propriétés. Les particules sont classées en fonction de leur taille. Ainsi, les "particules fines" sont celles dont les diamètres se situent dans la gamme de 100 à 2500 nanomètres (nm), alors que les "particules ultrafines" ont des diamètres compris entre 1 et 100 nanomètres. Comme des particules ultrafines, nanoparticules sont définis comme ayant des diamètres compris entre 1 et 100 nanomètres, bien que la taille limite puisse être limitée à deux dimensions. Les nanoparticules sont souvent qualifiées de "grappes". De plus, les nanosphères, nanorodes et nanocupes sont quelques-unes des formes développées.

Des nanoparticules métalliques, diélectriques et semi-conductrices ont été préparées, ainsi que des structures hybrides (telles que des nanoparticules noyau-enveloppe). Les nanoparticules constituées d'un matériau semi-conducteur peuvent également être étiquetées points quantiques si elles sont suffisamment petites (généralement inférieures à 10 nm) pour permettre une quantification des niveaux d'énergie électronique. Des nanoparticules semi-solides et molles ont été fabriquées. Le liposome est un prototype de nanoparticule de nature semi-solide.

La recherche sur les nanoparticules est actuellement un domaine de recherche scientifique intense, en raison d'une grande variété d'applications potentielles dans les domaines biomédical, optique et électronique. La National Nanotechnology Initiative a généré un généreux financement public pour la recherche sur les nanoparticules aux États-Unis. Différents types de nanoparticules sont actuellement utilisés en clinique en tant que systèmes d'administration de médicaments anticancéreux et de vaccins ou en tant qu'agents d'imagerie.

Histoire

Bien que les nanoparticules soient généralement considérées comme une invention de la science moderne, leur histoire est très longue. Plus précisément, les artisans utilisaient des nanoparticules dès le début du neuvième siècle, la Mésopotamie, pour générer un effet scintillant à la surface du pot.

Même de nos jours, les poteries du Moyen Âge et de la Renaissance conservent souvent des paillettes métalliques distinctes de couleur or ou cuivre. Ce qu'on appelle lustre est causé par un film métallique appliqué sur la surface transparente d'un vitrage. Le lustre peut encore être visible si le film a résisté à l'oxydation atmosphérique et à d'autres conditions atmosphériques.

Le lustre provient du film lui-même, qui contient des nanoparticules d'argent et de cuivre dispersées de manière homogène dans la matrice vitreuse de l'émail céramique. Ces artisans ont créé ces nanoparticules en ajoutant des sels et oxydes de cuivre et d'argent, ainsi que du vinaigre, de l'ocre et de l'argile, à la surface de poteries préalablement émaillées. L'objet a ensuite été placé dans un four et chauffé à environ 600 ° C dans une atmosphère réductrice.

Sous l'effet de la chaleur, la glaçure se ramollissait, entraînant la migration des ions cuivre et argent dans les couches extérieures de la glaçure. Là, l'atmosphère réductrice a réduit les ions en métaux, qui se sont ensuite assemblés pour former les nanoparticules qui donnent les effets colorimétrique et optique.

La technique de lustre montre que les artisans possédaient une connaissance empirique assez sophistiquée des matériaux. La technique provient du monde islamique. Les musulmans n'ayant pas le droit d'utiliser l'or dans leurs représentations artistiques, ils ont dû trouver un moyen de créer un effet similaire sans utiliser d'or véritable. La solution qu'ils ont trouvée était d'utiliser du lustre.

Michael Faraday a fourni la première description, en termes scientifiques, des propriétés optiques de métaux à l'échelle nanométrique dans son article classique de 1857 intitulé "Relations expérimentales de l'or (et d'autres métaux) avec la lumière".1

Une grande partie des études modernes de ces objets ont été menées au laboratoire de l'ESRF. Plusieurs techniques ont été utilisées pour caractériser les propriétés chimiques et physiques de ce lustre, telles que la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS), l'absorption optique dans la région visible-ultraviolette, la microscopie électronique (TEM et SEM).

Terminologie et classification

Nanoclusters2 avoir au moins une dimension comprise entre 1 et 10 nanomètres et une distribution granulométrique étroite. Nanopoudres2 sont des agglomérés de particules ultrafines, de nanoparticules ou de nanoclusters. Les monocristaux de taille nanométrique, ou particules ultrafines à domaine unique, sont souvent appelés nanocristaux. Le terme NanoCrystal® est une marque déposée3 Elan Pharma International (EPIL) utilisé dans le cadre du processus de broyage exclusif et des formulations de médicaments nanoparticulaires d’EPIL.

Propriétés

Les nanoparticules présentent un grand intérêt scientifique car elles constituent en réalité 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 la nano-échelle, 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 de plasmons de surface dans certaines particules métalliques et le superparamagnétisme dans les matériaux magnétiques.

Les propriétés des matériaux changent à mesure que leur taille se rapproche de l'échelle nanométrique et que le pourcentage d'atomes à la surface d'un matériau devient important. Pour les matériaux en vrac supérieurs à un micromètre, le pourcentage d'atomes à la surface est minuscule par rapport au nombre total d'atomes du matériau. Les propriétés intéressantes et parfois inattendues des nanoparticules sont en partie dues aux aspects de la surface du matériau qui dominent les propriétés au lieu des propriétés en vrac.

Les nanoparticules peuvent ou non présenter des propriétés intensives liées à la taille qui diffèrent de manière significative de celles observées dans les particules fines ou les matériaux en vrac.4 Ils présentent un certain nombre de propriétés spéciales différentes de celles des matériaux en vrac. Par exemple, la flexion du cuivre en vrac (fil, ruban, etc.) se produit avec le mouvement des atomes / amas de cuivre à l’échelle de 50 nm environ. Les nanoparticules de cuivre inférieures à 50 nm sont considérées comme des matériaux extrêmement durs qui ne présentent pas la même malléabilité et la même ductilité que le cuivre en vrac. Le changement de propriétés n'est pas toujours souhaitable. Les matériaux ferroélectriques de moins de 10 nm peuvent changer leur direction d'aimantation en utilisant l'énergie thermique à la température ambiante, les rendant ainsi inutiles pour le stockage en mémoire.

Des suspensions de nanoparticules sont possibles car l’interaction de la surface de la particule avec le solvant est suffisamment forte pour surmonter les différences de densité, ce qui a généralement pour effet de faire couler un matériau ou de le laisser flotter dans un liquide. Les nanoparticules ont souvent des propriétés visibles inattendues car elles sont assez petites pour confiner leurs électrons et produire des effets quantiques. Par exemple, les nanoparticules d'or apparaissent en rouge foncé à noir en solution.

Les nanoparticules ont un rapport surface / volume très élevé. Cela fournit une force motrice considérable pour la diffusion, en particulier à des températures élevées. Le frittage peut avoir lieu à des températures plus basses, sur des échelles de temps plus courtes que pour des particules plus grosses. Ceci n'affecte théoriquement pas la densité du produit final, bien que des difficultés d'écoulement et la tendance des nanoparticules à s'agglomérer compliquent les choses. Le rapport surface / volume élevé réduit également la température de fusion naissante des nanoparticules.5

De plus, il a été constaté que les nanoparticules conféraient des propriétés supplémentaires à divers produits quotidiens. Comme la présence de nanoparticules de dioxyde de titane confère ce que nous appelons l’effet autonettoyant et que sa taille est nanorange, les particules ne peuvent pas être vues. Les nanoparticules d'oxyde de zinc ont des propriétés de blocage des UV supérieures à celles de son substitut en vrac. C'est l'une des raisons pour lesquelles il est souvent utilisé dans les crèmes solaires. Les nanoparticules d'argile, lorsqu'elles sont incorporées dans des matrices polymères, renforcent le renforcement, conduisant à des plastiques plus résistants, vérifiés par une température de transition vitreuse plus élevée et d'autres tests de propriétés mécaniques. Ces nanoparticules sont dures et confèrent leurs propriétés au polymère (plastique). Des nanoparticules ont également été attachées à des fibres textiles afin de créer des vêtements élégants et fonctionnels.

Morphologie des nanoparticules

Nanostars d'oxyde de vanadium (IV).

Les scientifiques ont commencé à nommer leurs particules d'après les formes du monde réel qu'elles pourraient représenter. Nanosphères6, nanoreefs,7 nanoboxes,8 et plus sont apparus dans la littérature. Ces morphologies apparaissent parfois spontanément sous l’effet d’un agent structurant ou directeur présent dans la synthèse, tel que des émulsions micellulaires ou des pores d’alumine anodisée, ou encore des profils de croissance cristallographique innés des matériaux eux-mêmes.9 Certaines de ces morphologies peuvent avoir une utilité, par exemple des nanotubes de carbone longs servant de pont à une jonction électrique, ou simplement une curiosité scientifique comme les étoiles montrées à gauche.

Caractérisation

La caractérisation des nanoparticules est nécessaire pour établir la compréhension et le contrôle de la synthèse et des applications des nanoparticules. La caractérisation est réalisée en utilisant une variété de techniques différentes, principalement issues de la science des matériaux. Les techniques courantes sont la microscopie électronique (microscopie électronique à transmission (TEM) et microscopie électronique à balayage (MEB)), la microscopie à force atomique (AFM), la diffusion dynamique de la lumière (DLS), la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), la diffractométrie à rayons X sur poudre ( XRD), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), spectrométrie de masse à temps de vol assisté par désorption assistée par matrice (MALDI-TOF) et spectroscopie ultraviolet et visible.

Bien que la théorie du mouvement brownien soit connue depuis plus d'un siècle, la technologie d'analyse du suivi des nanoparticules (NTA) permet le suivi direct du mouvement brownien et permet donc de dimensionner des nanoparticules individuelles en solution.

Fabrication de nanoparticules

Il existe plusieurs méthodes pour créer des nanoparticules; l'attrition et la pyrolyse sont des méthodes courantes. En attrition, les particules macro ou micro sont broyées dans un broyeur à boulets, un broyeur à boulets planétaire ou un autre mécanisme réduisant la taille. Les particules résultantes sont classées dans l’air pour récupérer les nanoparticules.

En pyrolyse, un précurseur sous forme de vapeur (liquide ou gazeux) est forcé à travers un orifice à haute pression et brûlé. Le solide résultant (une version de la suie) est classé dans l’air afin de récupérer les particules d’oxyde des gaz sous-produits. La pyrolyse conduit souvent à des agrégats et agglomérats plutôt qu'à des particules primaires uniques.

Un plasma thermique peut également fournir l'énergie nécessaire pour provoquer l'évaporation de particules de petite taille. Les températures du plasma thermique sont de l’ordre de 10000 K, de sorte que la poudre solide s’évapore facilement. Des nanoparticules se forment lors du refroidissement en sortant de la région plasmatique. Les principaux types de torches à plasmas thermiques utilisées pour produire des nanoparticules sont les plasmas à induction à jet de plasma à courant continu, à plasma à arc en courant continu et à induction par radiofréquence. Dans les réacteurs à plasma d'arc, l'énergie nécessaire à l'évaporation et à la réaction est fournie par un arc électrique qui se forme entre l'anode et la cathode. Par exemple, le sable de silice peut être vaporisé avec un plasma d'arc à la pression atmosphérique. Le mélange résultant de gaz plasmagène et de vapeur de silice peut être rapidement refroidi par trempe à l’oxygène, garantissant ainsi la qualité de la silice fumée produite. Dans les torches à plasma à induction RF, le couplage de l'énergie au plasma est réalisé par le champ électromagnétique généré par la bobine d'induction. Le gaz plasmatique n'entre pas en contact avec les électrodes, éliminant ainsi les sources possibles de contamination et permettant le fonctionnement de telles torches à plasma avec une large gamme de gaz, y compris les atmosphères inerte, réductrice, oxydante et corrosive. La fréquence de travail est généralement comprise entre 200 kHz et 40 MHz. Les unités de laboratoire fonctionnent à des niveaux de puissance de l'ordre de 30 à 50 kW, tandis que les unités industrielles à grande échelle ont été testées à des niveaux de puissance allant jusqu'à 1 MW. Comme le temps de résidence des gouttelettes injectées dans le plasma est très court, il est important que leur taille soit suffisamment petite pour obtenir une évaporation complète. Le procédé par plasma RF a été utilisé pour synthétiser différents matériaux à base de nanoparticules, par exemple la synthèse de diverses nanoparticules céramiques telles que des oxydes, des carbures / carbures et des nitrures de Ti et Si.

L’agrégation de gaz inertes est fréquemment utilisée pour fabriquer des nanoparticules à partir de métaux à bas point de fusion. Le métal est vaporisé dans une chambre à vide puis refroidi par un courant de gaz inerte. La vapeur de métal en surfusion se condense en particules de taille nanométrique qui peuvent être entraînées dans le flux de gaz inerte et déposées sur un substrat ou étudiées in situ.

Des problèmes de sécurité

Les nanoparticules présentent des dangers potentiels, tant sur le plan médical qu'écologique.10 La plupart d'entre elles sont dues au rapport surface / volume élevé, qui peut rendre les particules très réactives ou catalytiques.11 Ils sont également capables de traverser les membranes cellulaires des organismes et leurs interactions avec les systèmes biologiques sont relativement inconnues.12 Cependant, les nanoparticules libres présentes dans l’environnement tendent rapidement à s’agglomérer et à quitter le nanostructure, et la nature elle-même présente de nombreuses nanoparticules contre lesquelles des organismes sur Terre pourraient avoir développé une immunité (telles que les particules de sel provenant d’aérosols océaniques, les terpènes de plantes ou la poussière). éruptions volcaniques).

Selon le San Francisco Chronicle, "Des études chez l'animal ont montré que certaines nanoparticules peuvent pénétrer dans les cellules et les tissus, se déplacer dans le corps et le cerveau et causer des dommages biochimiques. Elles ont également prouvé qu'elles étaient un facteur de risque de cancer du testicule chez l'homme. Mais si les cosmétiques et les écrans solaires contenant des nanomatériaux présentent des risques pour la santé reste largement inconnue, dans l'attente de l'achèvement d'études à long terme récemment lancées par la FDA et d'autres agences. "13

Des nanoparticules de diesel ont endommagé le système cardiovasculaire chez un modèle de souris.14

Cellule de nanoparticules de silicium

De manière générale, les cellules solaires actuellement sur le marché ne produisent pas beaucoup d’électricité à partir de rayons ultraviolets. Elles sont plutôt filtrées ou absorbées par la cellule, ce qui chauffe la cellule. Cette chaleur est un gaspillage d'énergie et pourrait même endommager la cellule. En diluant des particules de silicium dans de l'alcool, recouvrant une cellule solaire de cette dernière et laissant l'alcool s'évaporer pour laisser les nanoparticules de silicium sur la cellule, la puissance de la cellule a été augmentée de 67% dans le domaine ultraviolet et d'environ 10% dans le visible. .15

Voir également

  • Carbone
  • Cristal
  • Fullerène
  • Gallium
  • Indium
  • Magnétisme
  • Nanotechnologie
  • Photon
  • Silicium

Remarques

  1. ↑ Michael Faraday, Relations expérimentales de l'or (et d'autres métaux) avec la lumière, Phil Trans. Roy Soc. Londres 147 (1857): 145-181.
  2. 2.0 2.1 B.D. Fahlman, Chimie des matériaux (Dordrecht, NL: Springer, 2007, ISBN 9781402061196), 282-283.
  3. ↑ US TM Reg. Nos 2386089/2492925 et EU CTM Reg. No. 000885079
  4. ↑ ASTM, ASTM E 2456 - 06 Terminologie normalisée relative aux nanotechnologies. Récupéré le 15 novembre 2008.
  5. ↑ P.H. Buffat et J.P. Borel, Effet de la taille sur la température de fusion des particules d'or, Examen physique A. 13 (6): 2287-2298. Récupéré le 16 novembre 2008.
  6. ↑ Agam et Guo, modification par faisceau d'électrons de nanosphères de polymères, Journal de nanoscience et nanotechnologie 7 (10): 3615 à 3619. Identifiant d'objet numérique (DOI): 10.1166 / jnn.2007.814.
  7. ↑ J.H. Choy, E.S. Jang, J.H. Won, J.H. Chung, D.J. Jang et Y.W. Kim, voie hydrothermale vers les récifs nanocoraux et les nanofibres de ZnO, Appl. Phys. Lett. 84 (2004): 287.
  8. ↑ Yugang Sun et Younan Xia, Synthèse de nanoparticules d'or et d'argent à contrôle de forme, Science 298: 2176. Identificateur d'objet numérique (DOI): 10.1126 / science.1077229.
  9. ↑ Catherine Murphy, Nanocubes et Nanoboxes, Science 298 (2002): 2139. Identificateur d'objet numérique (DOI): 10.1126 / science.1080007.
  10. ^ Anisa Mnyusiwalla, Abdallah S. Daar et Peter A. Singer, "Attention à l'écart:" Science et éthique en nanotechnologie, Nanotechnologie. 14 (2003): R9-R13. Identifiant d'objet numérique (DOI): 10.1088 / 0957-4484 / 14/3/201.
  11. ↑ Jackie Ying, Matériaux nanostructurés (San Diego, CA: Academic Press, 2001, ISBN 9780120085279).
  12. ↑ Europa, Nanotechnologies: 6. Quels sont les effets néfastes potentiels des nanoparticules? Récupéré le 15 novembre 2008.
  13. ^ Keay Davidson, FDA a exhorté à limiter l'utilisation de nanoparticules dans les cosmétiques et les écrans solaires, San Francisco Chronicle. Récupéré le 15 novembre 2008.
  14. ↑ Adam Satariano, étude sur les particules de pollution entraînant un risque accru de crise cardiaque (Update1). Bloomberg.com. Récupéré le 15 novembre 2008.
  15. ↑ Jeremy Korzeniewski, Un film de nanoparticules de silicium peut augmenter les performances des cellules solaires, Autoblog Green. Récupéré le 15 novembre 2008.

Les références

  • Fahlman, B.D. 2007. Chimie des matériaux. Dordrecht, NL: Springer. ISBN 9781402061196.
  • Schmid, Günter. 2004. Nanoparticules: de la théorie à l'application. Weinheim, DE: Wiley-VCH. ISBN 3527305076.
  • Ying, Jackie. 2001. Matériaux nanostructurés. San Diego, CA: Presse académique. ISBN 9780120085279.

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 6 novembre 2018.

  • Synthèse sur les nanotechnologies réalisée par GreenFacts de la Commission européenne, évaluation SCENIHR.
  • Nanoparticules utilisées dans la conversion de l'énergie solaire (ScienceDaily).

Voir la vidéo: Les nanoparticules (Novembre 2020).

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