Au novice, le nanomonde paraîtra peuplé d'espèces mystérieuses : nanoparticules, nanotubes, colloïdes, nanocomposites, nanomachines... Afin de lever un coin du voile, nous vous proposons ici un inventaire des entités de ce nanomonde sur lesquels travaillent chercheurs et industriels, puis les organisations qu'elles peuvent adopter, enfin les assemblages complexes que l'on peut en faire.
- I - Les nano-objets
- II - Nanomatériaux (ou matériaux nanostructurés)
- III - Nanosystèmes
- Schéma récapitulatif
I - Les nano-objets
Les entités qui peuplent le nanomonde sont appelés nano-objets. Le terme ne possède toutefois pas une définition unique. Pour certains, un nano-objet est un objet dont toutes les dimensions dans l'espace sont de l'ordre du nanomètre (on entend par là comprises entre 1 et 100 nanomètres). Pour d'autres, il s'agit d'un corps dont au moins une des dimensions (longueur, diamètre, épaisseur) est de cet ordre. Nous adopterons ici l'acception large, à cause des nanotubes de carbone qui, bien qu'ayant un diamètre de quelques nanomètres, peuvent désormais atteindre une longueur de l'ordre du centimètre.
1. Nanoparticules
Une nanoparticule est un assemblage de quelques centaines à quelques milliers d'atomes, formant un objet de taille nanométrique (1 à 100 nm). Là encore, la définition n'est pas arrêtée. La plupart des nanoparticules sont des agrégats de petites molécules (TiO2, ZnO) ou d'atomes (or, argent). Plus rarement, ce sont des molécules à part entière. La plus médiatique est certainement la molécule de fullerène C60, composée de 60 atomes de carbone qui forment une « cage » sphérique ressemblant à la surface d'un ballon de football.
On distingue :
- Des nanoparticules naturelles. Un grand nombre de nanoparticules d'origine naturelle sont présentes dans l'environnement. Exemples : poussières émises par combustion ou par les volcans, produites par érosion.
- Des nanoparticules non manufactuées d'origine anthropique. Ce sont des nanoparticules « déchets » de l'activité humaine. Exemples : nanoparticules diesel, combustions diverses, réactions entre gaz, condensation.
- Des nanoparticules manufacturées. Ce sont des nanoparticules produites par l'Homme dans un but industriel ou de recherche. Exemples : noir de carbone (pneus, semelles de chaussure...), dioxyde de titane (peintures blanches, dentifrices, crêmes solaires, surfaces auto-nettoyantes...), nanoparticules de silice (pneu « vert » de Michelin), d'or (catalyseur)...
2. Nanocristaux
Prérequis : la notion de cristal
Qui ne s'est jamais étonné que la nature, habituellement encline à produire des courbes, puisse créer les formes tellement géométriques des cristaux ? Le secret de ces formes réside dans une organisation spatiale particulière des atomes. Ceux-ci se disposent en effet de façon très régulière dans l'espace, au point qu'on peut y voir se répéter le même motif constitué d'un petit nombre d'atomes. C'est la forme de ce motif, appelé maille, qui détermine la forme géométrique du cristal.
Pour en savoir plus, voir sur wikipedia la page structure cristalline.
Les nanocristaux sont des cristaux semi-conducteurs de taille nanométrique. Ils intéressent la microélectronique (mémoires non volatiles) et la nano-photonique...
3. Nanotubes
Le nanotube est une structure cristalline particulière : comme son nom le laisse entendre, les atomes qui le constituent forment un tube. Celui-ci est fermé aux extrémités. Dans les nanotubes de carbone (ainsi que dans les molécules de fullerène auxquelles ils s'apparentent) et de nitrure de bore, les atomes sont disposés en pentagones, hexagones et/ou heptagones.
4. Dendrimères
Les dendrimères sont des macromolécules sphériques obtenues par polymèrisation. Ils sont formés d'un « coeur » duquel partent un grand nombre de ramifications arborescentes. Selon l'intention de leurs créateurs les chimistes, ils pourront présenter à leur surface toutes sortes de fonctions.
Pour en savoir plus, lire sur le site du CNRS Les dendrimères : des outils pour une chimie innovatrice.
5. Machines moléculaires
Les chimistes parviennent à concevoir des molécules de telle sorte que des mouvements (rotatifs ou linéaires) sont possibles entre leurs différentes parties. Elles portent le nom de machines moléculaires ou molécules-machines. Dans quelques laboratoires, des chercheurs sont parvenus à en créer qui reproduisent à l'échelle du nanomètre des systèmes tels qu'engrenage, articulation, roue, moteur. Pour Xavier Guchet, philosophe, ces machines moléculaires sont avant tout destinées à produire de la connaissance. On serait encore loin des nanorobots...
II - Nanomatériaux (ou matériaux nanostructurés)
Un nanomatériau est un matériau possédant des propriétés particulières à cause de sa structure nanométrique.
1. Colloïdes
Une très bonne définition est fournie par Futura-Sciences [1] :
La matière colloïdale s'étudie à la lisière de la chimie et de la physique. Un colloïde se présente comme une suspension homogène de petites particules (entre un micromètre et un nanomètre), et qui prend des formes diverses, liquides, gel ou pâte. On sait s'en servir depuis des milliers d'années pour fabriquer des colles (d'où le nom des colloïdes, d'ailleurs), des encres, du ciment ou de la mayonnaise. Mais les propriétés de cette matière demeurent encore largement inconnues. Partout dans le monde, des scientifiques travaillent sur ce sujet.
2. Films
En réalisant des dépôts d'atomes ou de molécules, y compris des nanotubes, sur des surfaces, on parvient à réaliser des films d'épaisseur nanométrique. Ceux-ci peuvent hériter des propriétés de leurs composants ou développer des propriétés de surface nouvelles liées à la simple structuration apportée par le dépôt à l'échelle nanométrique.
3. Nanocomposites
Un nanocomposite est constitué de nano-objets incorporés dans une matrice d'oxyde ou de polymère. Selon leur nature, l'incorporation des nano-objets peut modifier les propriétés du matériau : résistance mécanique, flexibilité/rigidité, propriétés thermiques, électriques, magnétiques...
4. Matériaux nanoporeux
Les matériaux nanoporeux sont des matériaux dans lesquels les atomes laissent des pores de taille nanométrique qui peuvent être en forment de « cages » ou de tubes. « Le principal intérêt de ces composés poreux est d'être exploitables en séparation de gaz, en catalyse, en tamisage moléculaire, mais aussi d'offrir des potentialités remarquables comme structure hôte pour des molécules à propriétés optiques non linéaire ou magnétiques » [2]. Ce sont pour la plupart des matériaux de synthèse mais il en existe à l'état naturel. Ce sont les zéolites, une classe de minerais proches de l'argile et déjà utilisée pour diverses applications.
III - Nanosystèmes
Atomes, molécules, nano-objets peuvent être utilisés comme briques élémentaires pour des réalisations plus complexes. On parle alors de nanosystèmes. Diverses équipes de chercheurs à travers le monde travaillent à la réalisation de systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS) à partir de nano-objets...
Schéma récapitulatif
N.B. : Vous pouvez visualiser le schéma en plein écran en cliquant sur l'icône 
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Références
1. Jean-Luc Goudet. Colloïde : se soignera-t-on un jour avec de l'encre ?. Futura-Sciences, 27 mai 2007.
http://www.futura-sciences.com/fr/sinformer/actualites/news/t/chimie-1/d...
2. Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg. Matériaux nano et mésoporeux. nanomat.fr.
http://nanomat.u-strasbg.fr/dn_materiaux_nano_et_mesoporeux_FR/
Commentaires
La carte proposée est fausse
Bonjour,
La carte proposée est fausse, les matériaux (matériaux nanostructuré ou nanomatériaux) ne sont pas des nanomachines et n'appartiennent pas au domaine des nanosciences.
Le problème de cette carte est que les définitions ne sont pas données.
Nanomatériaux = matériaux nanostructurés, c'est a dire un matériaux dont la maille élementaire est plus grande que quelques atomes. Un cristal de sel de cuisine (NaCl) est un matériaux ato-structuré.
Nanosystème. Ici, 2 définitions:
- 1 - un systeme dont les pièces élémentaires ont une precision de fabrication de l'ordre du nanomètre
- 2 - un systeme dont toute la fonction est comprise dans quelques nanometres. (précision de fabrication de l'ordre de 0.05 nm)
La définition 1 renvoie à la miniaturisation et n'a rien a voir avec la nanotechnologie.
La définition 2 correspond à la molécule brouette, a une porte logique intégrée dans une seule molecule... Loin d'être annecdotique, la molécule brouette indique un nouveau champ de recherche qui se veut explorer le nombre minimum d'atome nécessaire pour réaliser une machine. Il s'agit de monumentalisation et pas de miniaturisation.
Il y a donc dans la carte une confusion entre micro-machine et nano-système.
De la même manière, la partie III "nanomachine" du texte doit être totalement revue (un capteur de gaz n'est pas une nanomachine).
Voir "Arago 26: Nanocomposant et nanomachine", ouvrage collectif de l'OFTA, edition Tec&Doc 2001, ISBN 2-906028-12-6.
C'est le seul ouvrage pseudo-grand public qui fait le point sur le sujet des molécules machines.
D'autre part, je vous signale un cours niveau master a Sup'Aéro sur les nanosciences qui reprend tout ces sujets et qui enseigne depuis 3 années la théorie des molécule-machines: mécanique, molécule à calcul, nano-communications, transducteur uni-moléculaire...ce n'est donc plus anecdotique
Cordialement,
C. Joachim
Carte et texte modifiés
Monsieur,
Merci beaucoup de votre message. Faisant suite à vos remarques, j'ai effectué des modifications sur la carte et le texte. J'ai dû faire quelques interprétations. Voici comment j'ai procédé :
1. J'ignorais effectivement s'il existait une nuance entre nanomatériaux et matériaux nanostructurés. Votre réponse sur ce point est claire. Aussi le titre de la partie II, "Nanomatériaux et matériaux nanostructurés", est devenu "Nanomatériaux (ou matériaux nanostructurés)".
2. La distinction entre nanomachines et nanosystèmes ne m'apparaissait pas clairement non plus. J'aurais dit qu'une nanomachine est composée de nanosystèmes. En gros, je voyais la même différence qu'entre une voiture et les organes qui la composent.
Vous m'avez proposé deux définitions pour nanosystème. J'ai dû faire un choix. A cause de l'éthymologie du mot "système", votre définition 1 m'a paru meilleure. Je l'ai traduite par "nanosystème = assemblage de composants nanométriques" (on devrait sans doute préciser dans le but de réaliser une fonction).
3. Pour éviter toute ambiguïté (due à un double usage du terme nanosystème), j'ai associé à votre définition 2 le terme "machine moléculaire" (ou son synonyms "molécule-machine"). La brouette moléculaire est en une. Et j'ai choisi de considérer les machines moléculaires comme des nano-objets avec l'idée qu'elles sont produites par synthèse chimique ou, éventuellement, par assemblage atome par atome.
4. Il reste le terme "nanomachine" que je n'ai pas su définir. Est-ce synonyme de machine-moléculaire ou s'agit-il d'un complexe composé de nanosystèmes ? Auquel cas une nanomachine peut-être de taille micro... La définition donnée sur Wikipedia ne prend aucune de ces deux options. Elle est basée uniquement sur la fonction : manipuler atomes et molécules.
Bien cordialement.
Merci d'avance à tous de vos commentaires et suggestions...
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