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Méthodes de synthèse des nanomatériaux

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par Omar BAJJOU
Faculté de sciences de Fès - Master 0000
  

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Introduction

I. Généralités

1-Nanotechnologie

2-Nano-Objets

3-Nanomatériaux

II. Méthodes de synthèse pour les nanomatériaux

1-Méthodes physique

2- Méthodes chimique

3- Méthodes mécanique

III. Les domaines d'application

IV. Conclusion

INTRODUCTION

La maîtrise des méthodes de synthèse et le progrès dans les techniques de caractérisation telles que le microscope à force atomique et la microscopie électronique à transmission ont permis l'émergence des nanomatériaux. Dans ces matériaux la proportion des atomes de surface devient non négligeable devant celle des atomes de coeur, ce qui leur confère de nouvelles propriétés électriques, mécaniques ou encore optiques. Par exemple, les forces de surface, qui augmentent avec le carré de la taille, deviennent prépondérantes devant les forces d'inertie et le poids qui augmente avec le cube de la taille. Nous pouvons également citer l'exemple de CdSe qui fluoresce avec une longueur d'onde fonction de la taille des nanoparticules alors que leur homologue macroscopique ne fluoresce pas. Du fait de leur importante surface, les nanomatériaux sont également très prometteurs dans le domaine de la catalyse. La quête de nouvelles propriétés ne s'arrête pas aux nanoparticules mais nous allons aujourd'hui vers des objets intelligents fabriqués en fonction des caractéristiques désirées. Ainsi, en combinant des matériaux différents dans un nanocomposite, les propriétés des constituants peuvent être habilement mêlées.

   De manière équivalente, des nanoparticules métalliques (Au, Pt) sont synthétisées, mais également, et c'est une première, des nanoparticules supraconductrices (Pb). On peut ainsi étudier l'influence du confinement quantique sur les propriétés de transport électronique de ces nanoparticules, sous forme d'assemblée ou de réseaux. Des résultats importants ont été obtenus sur la suppression de l'effet Meissner dans les nanoparticules de Pb, mais également sur le comportement de type « verres de Coulomb » de réseaux de nanocristaux d'Au. De manière générale, ce sont des systèmes modèles pour étudier les transitions de phase supraconducteur-isolant ou métal-isolant.

Généralités

1-Nanotechnologies


Les nanotechnologies reposent sur la connaissance et la maîtrise de l'infiniment petit. Elles constituent un champ de recherche et de développement multidisciplinaire impliquant la fabrication de nouveaux matériaux et de nouveaux dispositifs à partir d'outils ou de techniques permettant de structurer la matière au niveau atomique, moléculaire ou supramoléculaire. Les échelles caractéristiques des nanotechnologies vont de 1 à 100 nanomètres.

L'unité de référence du monde des nanotechnologies est donc le nanomètre (nm). Le préfixe nano vient du grec nannos qui signifie nain. Un nanomètre est une unité de mesure qui équivaut à un milliardième de mètre (1 nm = 10-9 m = 0,000 000 001 m). Un nanomètre correspond environ à la taille de 4 atomes de silicium mis côte à côte, à 1/100 de la largeur d'une molécule d'ADN, à 1/50 000 de l'épaisseur d'un cheveu humain ou encore à 1/500 000 de l'épaisseur du trait d'un stylo à bille.

A de telles dimensions, la matière acquiert des propriétés inattendues et souvent totalement différentes de celles des mêmes matériaux à l'échelle micro ou macroscopique, notamment en terme de résistance mécanique, de réactivité chimique, de conductivité électrique ou de fluorescence. Les nanotechnologies conduisent donc à l'élaboration de matériaux dont les propriétés fondamentales (chimiques, physiques, thermiques, optiques, biologiques, mécaniques, magnétiques, etc.) peuvent être modifiées : il convient de les considérer comme de nouvelles substances chimiques. Par exemple, l'or est totalement inactif à l'échelle micrométrique alors qu'il devient un excellent catalyseur lorsqu'il prend des dimensions nanométriques. Toutes les grandes familles de matériaux sont concernées : les métaux, les céramiques, les diélectriques, les oxydes magnétiques, les polymères, les carbones, etc.

2-Nano-objets


Les nanomatériaux sont des matériaux composés ou constitués pour tout ou partie de nano-objets qui leur confèrent des propriétés améliorées ou spécifiques de la dimension nanométrique.

Parmi les nano-objets, il est possible de distinguer trois grandes familles :

 les nanoparticules ou particules ultra-fines (PUF) dont aucune des dimensions n'est supérieure à 100 nm. L'appellation « nanoparticules » est plutôt réservée aux particules manufacturées et destinées à des usages industriels, que ce soit des nanoparticules connues et produites depuis déjà plusieurs années et dont les tonnages sont élevés comme le dioxyde de titane ou la silice (ils représentent 95 % du marché des nanoparticules) ou des nanoparticules nouvelles comme les fullerènes. Les nanoparticules peuvent se présenter sous la forme de poudre, de suspension, de solution ou de gel. L'appellation « particules ultra-fines » se réfère davantage aux particules présentes depuis toujours dans l'environnement, comme les fumées de volcan, et anciennes dans le monde du travail, comme les émissions secondaires liées à certains procédés industriels (sous-produits de procédés mécaniques, thermiques : fumées de soudage, émissions diesel, etc.).
les nanofibres, les nanotubes, les nanofilaments et les nanobâtonnets dont une des dimensions est supérieure à 100 nm. Ces termes sont généralement, employés pour désigner des nano-objets longilignes dont les dimensions vont de 1 à quelques dizaines de nanomètres pour la section et de 500 à 10 000 nanomètres pour la longueur.
les nanofilms, les nanocouches et les nanorevêtements dont deux des dimensions sont supérieures à 100 nm.


3-Nanomatériaux

Les nano-objets peuvent être utilisés soit en tant que tels, soit en vue d'élaborer de nouveaux matériaux nommés nanomatériaux et habituellement regroupés en trois catégories :

 les matériaux nanochargés ou nanorenforcés. Ces matériaux sont élaborés par incorporation de nano-objets dans une matrice organique ou minérale afin d'apporter une nouvelle fonctionnalité ou de modifier des propriétés mécaniques, optiques, magnétiques ou thermiques. Les nanocomposites en sont un exemple. Divers nano-objets sont déjà utilisés dans de nombreuses applications industrielles comme par exemple :

 les fumées de silice dans le béton, pour améliorer sa fluidité et ses propriétés mécaniques,
l'alumine destinée au polissage des disques durs en microélectronique,
le noir de carbone utilisé dans les encres d'imprimante et les pneumatiques,
les pigments colorés organiques et minéraux incorporés dans les peintures et les vernis,
le dioxyde de titane utilisé comme protection au rayonnement ultraviolet dans les crèmes solaires. les matériaux nanostructurés en surface. Ces matériaux sont recouverts soit d'une ou plusieurs nanocouches, soit de nanoparticules qui forment un revêtement bien défini, permettant de doter la surface de propriétés (résistance à l'érosion, résistance à l'abrasion, hydrophilie, etc.) ou de fonctionnalités nouvelles (adhérence, dureté, aspect, etc.). De tels revêtements existent déjà, par exemple pour colorer des emballages en verre, apporter une fonction autonettoyante ou renforcer la surface de polymères.
les matériaux nanostructurés en volume. Ces matériaux possèdent une structure intrinsèque nanométrique (microstructure, porosité, réseau nanocristallin, etc.) qui leur confère des propriétés physiques particulières. Les nano-objets sont, dans ce cas, les éléments constitutifs du matériau massif.

Quelques exemples de nano-objets et de nanomatériaux

Nanocristaux fluorescents

Le séléniure de cadmium (CdSe) est un matériau fluorescent.
Lorsqu'il est préparé sous la forme de grains nanométriques (nanocristaux), des effets quantiques apparaissent en raison des faibles dimensions des grains.
Eclairés en ultraviolets, les nanocristaux émettent une lumière dont la couleur change en fonction de leur dimension (cette couleur est, par exemple, respectivement bleue et rouge pour des tailles de grains de 2 nm et 5 nm).
Ces matériaux peuvent être utilisés pour le marquage moléculaire c'est-à-dire pour jouer le rôle de sonde fluorescente et suivre à la trace les réactions chimiques ou les processus biologiques dans les cellules vivantes.
D'autres nanocristaux fluorescents ont été élaborés. 
Nanocristaux semi-conducteurs (également nommés quantum dots) de type séléniure de cadmium
Nanotubes de carbone

Découverts il y a une quinzaine d'années, les nanotubes de carbone constituent, avec d'autres molécules nommées fullerènes, la troisième forme cristalline du carbone (les 2 premières étant le graphite et le diamant). La structure d'un nanotube de carbone peut être représentée par un ou plusieurs feuillets de graphite (atomes de carbone disposés en réseau hexagonal plan à l'image d'un nid d'abeilles) enroulés sur eux-même, ou les uns autour des autres, et qui peuvent être fermés à leurs extrémités par une demi-sphère. Le diamètre interne d'un nanotube de carbone est de l'ordre de quelques nanomètres et sa longueur peut atteindre plusieurs micromètres (ils peuvent être considérés comme des fibres).


Les nanotubes de carbone se divisent en 2 catégories : les nanotubes monofeuillet (SWNT : Single Wall Carbon Nanotubes) et les nanotubes multifeuillets (MWNT : Multi Wall Carbon Nanotubes). 

De par leur structure très simple et très stable, les nanotubes de carbone possèdent des propriétés physiques, mécaniques et électriques remarquables (excellentes conductivités thermique et électrique, résistance mécanique élevée : un nanotube de carbone est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l'acier) qui induisent des applications nombreuses et prometteuses. Les nanotubes de carbone peuvent ainsi être utilisés pour élaborer des matériaux composites haute performance, des polymères conducteurs ou encore des textiles techniques. Ils sont déjà employés dans les domaines des équipements sportifs (vélos, raquettes de tennis, etc.), de l'aéronautique, de l'automobile, de la défense, de la médecine, etc. La poudre de nanotubes en vrac présente également des applications potentielles multiples comme le stockage de l'hydrogène et la fabrication de batteries pour les voitures électriques.


Revêtements nanomodifiés

Inspirés du monde végétal, des revêtements nanomodifiés sont actuellement en cours de développement. La surface de la feuille de lotus est recouverte par des nanocristaux de cire qui forment un réseau de minuscules piliers semblable à une planche cloutée. Les gouttes d'eau ne peuvent pas mouiller la surface et demeurent sphériques sans s'étaler car elles sont soutenues par ces piliers. De même, les grains de poussière n'adhèrent pas et sont emportés à la première pluie. Fabriquer par biomimétisme de telles surfaces artificielles à l'aide de nanomatériaux est un enjeu industriel considérable tant les applications sont nombreuses : vitres anti-salissures, peintures faciles à lessiver, revêtements antibactériens, etc.


Goutte d'eau millimétrique sur un substrat texturé hydrophobe : la goutte garde la forme d'une perle. La texture est un réseau de plots régulièrement organisés, ce qui confère au matériau ses couleurs.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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