Glossaire
polymère et organique : cf. article "la course à la légéreté" in "Des matériaux pour construire"
Un matériau dont les atomes ou les molécules sont arrangés de façon irrégulière est dit amorphe.
Un nanomètre est un milliardième de mètre. Le préfixe nano fait référence à une telle échelle.
Un matériau dont les atomes ou les molécules sont arrangés de façon régulière (en réseau) est dit cristallin.
Des films aux multiples facettes
Modification de la mouillabilité d’une couche mince par un rayon laser © RC2C Des films de quelques nanomètres d’épaisseur déposés sur des surfaces suffisent pour conférer à celles-ci des propriétés remarquables. Ils permettent, par exemple, de réaliser des verres anti-reflets (lunettes, écrans…) ou des détecteurs de polluants grâce au piégeage sélectif des molécules recherchées qui modifie la conductivité électrique du film utilisé. Nous nous intéressons particulièrement à des propriétés susceptibles d’être modifiées par certaines stimulations. Par exemple, le dépôt d’une couche ultra-mince d’oxyde métallique sur une vitre permet de la rendre opaque par temps chaud tandis qu’elle est transparente par temps froid. Nous cherchons également à concevoir des films qui s’assemblent spontanément, leurs molécules s’organisant en rangées, en tubes ou en petites sphères lorsqu’elles se déposent sur une surface. ce mécanisme répandu dans le monde du vivant (notamment lors de la structuration des membranes cellulaires) permet d’employer des procédés de fabrication relativement simples et, par conséquent, peu coûteux.
Nous travaillons actuellement sur des couches de macromolécules autoassemblées perpendiculairement à une surface et dont il est possible de modifier la mouillabilité avec de la lumière. ces couches sont constituées de chaînes d’atomes ayant une partie hydrophile (qui attire l’eau, permettant à celle-ci d’adhérer à une surface de verre propre) et une partie hydrophobe (qui repousse l’eau, empêchant les gouttes de s’étaler). La partie hydrophile de chaque molécule (un point rouge dans le schéma ci-dessus) est capable, de façon réversible, de replier a ou d’étirer b l’extrémité hydrophobe (en noir) en fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente. Le parcours d’un faisceau laser sur ce type de couche permet ainsi de tracer, à la surface d’un matériau, des lignes mouillables suivant lesquelles on pourra, par exemple, conduire des portions d’infimes échantillons liquides sur divers réactifs chimiques à des fins d’analyse.
Des télés en plastiques
Afin de convertir l’énergie solaire en énergie électrique, les matériaux organiques suscitent un intérêt croissant. Ils devraient permettent de fabriquer des cellules photovoltaïques plastiques moins coûteuses que leurs homologues constituées de matériaux minéraux comme le silicium. à cet avantage s’ajoutent ceux de la souplesse et de la légèreté qui facilitent leur installation et leur usage. En revanche et malgré d’importants progrès, ils sont encore détériorés trop rapidement par les rayons solaires pour pouvoir être commercialisés. Les recherches portent aussi sur la conception de matériaux hybrides dans lesquels des nanoparticules minérales sont intégrées à des polymères en vue d’améliorer le rendement de production d’énergie électrique, ou bien encore sur des cellules pouvant aussi bien émettre de la lumière qu’en absorber. Un système photovoltaïque produit de l’électricité par création d’électrons libres, grâce à l’absorption de la lumière, mais un processus inverse peut être généré : en appliquant un courant électrique à certains matériaux, ils peuvent émettre de la lumière. ce phénomène est à la base du fonctionnement des diodes électroluminescentes (LEd). c’est un principe similaire qui permet de réaliser, avec des dispositifs à polymères organiques (OLEd), les écrans d’affichage souples et enroulables qui arrivent sur le marché. Si l’aspect pratique de tels écrans peut susciter l’enthousiasme, leur robustesse demeure néanmoins à établir.
© Polymer VisionLa conversion photovoltaïque
Le phénomène de conversion photovoltaïque s’appuie sur l’interaction entre le rayonnement solaire et les matériaux qu’il pénètre. Dans le dispositif de deuxième génération cicontre, l’énergie lumineuse est en partie cédée à des électrons de la couche CIGS (des séléniures) qui deviennent mobiles. Grâce à un champ électrique présent entre la couche ZnO:Al (en oxyde de zinc « dopé » à l’aluminium) et la couche CIGS, les électrons sont attirés vers cette première. Il en résulte une différence de potentiel entre ZnO:Al et la couche Mo (en molybdène). Par un circuit externe, les électrons reviennent, dans un courant I, sur la couche Mo. L’énergie lumineuse acquise par les électrons est alors cédée électriquement dans ce circuit.
1 µm (1 micromètre) = 1000 nm ( 1000 nanomètres)
Conversion photovoltaïque. © RC2CDOSSIER
Des matériaux de génie
Des matériaux comme des sculptures moléculaires
Atome par atome
Nanosciences, nanotechnologies, nanomatériaux… Que désignent ces termes et pourquoi sont-ils devenus très présents dans le paysage scientifique actuel ?
Nanotube à l’extrémité d’une sonde de microscope à force atomique permettant d’augmenter la résolution de ce dernier (agrandi 18 000 fois, au microscope électronique à balayage). © Purdue UniversityUn nouveau monde
Apparues dans les années 1980, les nanosciences étudient les structures et les phénomènes observés à l’échelle du nanomètre, dimension d’une grosse molécule 10 000 fois plus petite que le diamètre d’un cheveu. Les nanotechnologies englobent les moyens d’observation et de manipulation de la matière à cette échelle, à laquelle les phénomènes physiques prépondérants (électromagnétisme et autres interactions dites quantiques) diffèrent de ceux des échelles macroscopiques auxquelles la mécanique classique s’applique principalement. Nanosciences et nanotechnologies permettent donc de mieux comprendre les phénomènes qui se produisent à l’échelle des molécules et, en conséquence, de concevoir des nanomatériaux qui désignent ou bien des objets dont une dimension au moins (par exemple l’épaisseur) ne dépasse pas quelques nanomètres, ou bien des structures dont l’élaboration à cette même échelle permet d’obtenir des propriétés macroscopiques remarquables. Certes, les propriétés chimiques, physiques et mécaniques des matériaux dépendent toujours des molécules qui les constituent et de l’arrangement de ces groupes d’atomes, mais un nanomatériau se distingue par le fait que cet arrangement et les propriétés qui en résultent sont sciemment contrôlés. L ’ engouement pour ce domaine provient principalement de l’émergence d’instruments tels que les microscopes électroniques à très haute résolution, qui permettent de voir les molécules et même de les arranger une à une, laissant découvrir un monde nouveau, complexe et riche d’applications potentielles. La poursuite de la miniaturisation des composants électroniques constitue l’un des objectifs majeurs de ces applications. Cependant, la perspective d’autres applications dans divers domaines, incluant physique, chimie et biologie, motivent aujourd’hui de nombreux projets et financements.
De nouveaux objets
La recherche sur les nanomatériaux a démarré dans notre institut il y a une dizaine d’années avec l’étude des nanotubes de carbone, observés pour la première fois en 1991 par le chercheur japonais Sumio Iijima. Ces matériaux sont des cylindres creux constitués uniquement d’atomes de carbone, dont le diamètre n’excède pas quelques nanomètres et dont la longueur peut atteindre un micromètre (un millionième de mètre). Les chercheurs ont rapidement découvert leur extraordinaire résistance mécanique et la possibilité de moduler leur conductivité électrique, ou encore de produire à l’intérieur de ces tubes des fils métalliques conducteurs. Ces caractéristiques ouvrent la voie à une miniaturisation encore plus poussée des appareils électroniques en permettant de diminuer considérablement la surface occupée par les petits circuits électriques qui relient les composants de tels appareils. D’autres applications des nanotubes sont en cours de développement. Il est par exemple possible de les associer à des polymères pour réaliser des « nanocomposites » tels que des fils très fins et très résistants. On cherche aussi à mettre au point des écrans plats avec une technologie différente de celles des écrans à plasma ou à polymères organiques.
Des applications encore à l’étude
La contrôle de la structuration des matériaux à l’échelle moléculaire permet non seulement d’envisager la réalisation de nombreuses applications nouvelles mais aussi de pouvoir faire varier les propriétés de certains matériaux. Une part importante des projets actuels concerne la production d’énergie électrique : cellules solaires à couches minces ou à gel de nanoparticules d’oxyde de titane, batteries à électrodes de lithium, piles à hydrogène etc. Le secteur médical est très impliqué, lui-aussi. Par exemple, les quantum dots, des nanoparticules encapsulées dans des petites billes creuses de polymères qui sont injectées dans l’organisme, permettent d’améliorer certaines techniques d’observation. Toutefois, les applications des nanosciences n’en sont encore, en majorité, qu’à un stade exploratoire Les recherches sur les nanomatériaux en général et sur les nanotubes en particulier sont aujourd’hui très actives en France et tendent à combler leur retard sur les états-Unis, le Japon ou l’Allemagne. Le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) a mis en place un groupement de recherche international, « Science et applications des nanotubes », qui permet aux chercheurs non seulement de confronter leurs résultats et de diffuser leur savoir auprès des jeunes générations mais également de veiller à l’exploitation des nano-objets dans un souci constant de santé publique. Il s’agit en effet de vérifier l’innocuité de ces nouveaux matériaux en terme de toxicité
• http://fr.wikipedia.org (rechercher « nanomatériau », « nanotechnologie » et « microscope électronique »)
• Portail sur les nanosciences & nanotechnologies du Ministère délégué à la Recherche Dossier du Ministère de l'économie, des finances et de l'industrie
• Base de données des acteurs des nanomatériaux en France
Une poudre « X-chrome »
Poudre de Molybdate © Groupe Miops (IMN, CNRS et Université de Nantes)Les matériaux X-chrome, tels que le molybdate ci-dessus, ont pour caractéristique de changer de couleur sous l’effet d’un stimulus extérieur (un changement de température ou de pression, un rayonnement...), une telle propriété pouvant être influencée par une nanostructuration contrôlée. On peut les utiliser dans l’industrie pour réaliser, par exemple, des détecteurs de température, de chocs ou des indicateurs de durée d’exposition aux rayonnements ultraviolets.
Mille-feuilles solaires
Née en 1954, la technologie photovoltaïque (PV) de première génération domine encore le marché des panneaux solaires. Basée sur le silicium cristallin, elle offre aux matériels commercialisés un rendement de 15% entre l’énergie électrique produite et l’énergie solaire captée. Elle est durable (systèmes garantis jusqu’à 25 ans) mais l’électricité qu’elle produit est encore environ 4 fois plus chère que celle du réseau actuel. c’est par la recherche sur les matériaux que la PV progresse, en efficacité, en durabilité et en coût. Le silicium est un élément chimique qui ne manque pas car il constitue 28 % de la masse de la croûte terrestre. cependant, la purification et la cristallisation dont il doit faire l’objet sont des procédés complexes et coûteux. La PV de deuxième génération, basée sur des matériaux en couches minces, cherche davantage à diminuer les coûts qu’à augmenter les rendements.
Les principaux matériaux employés sont le silicium amorphe, le tellurure de cadmium (cdTe) et les séléniures cuInSe2 et cuGaSe2 (dont les diverses combinaisons possibles sont regroupées sous l’appellation cIGS). Nous poursuivons les recherches sur cette deuxième génération afin d’optimiser la composition des matériaux et les procédés de leur fabrication. Il s’agit de talonner les performances des dispositifs à silicium cristallin pour un coût très inférieur, en vue de prendre 20% du marché de la PV d’ici à 2010. Une troisième génération émerge actuellement. Elle inclut des matériaux organiques et cherche à combiner faibles coûts et hauts rendements. Quelle que soit la génération qui s’imposera, l’électricité produite par la PV s’annonce bientôt compétitive, indépendamment des bénéfices qu’elle permet d’apporter sur l’environnement et sur ses ressources.