Cours de Première sur les nanomatériaux
Un nanomatériau est un matériau constitué de nanoparticules, c’est-à-dire de particules dont la taille est inférieure ou égale à 100 nm.
Les nanomatériaux ont des propriétés physiques spécifiques par rapport aux matériaux classiques.
Définitions
Les nanoparticules :
Une nanoparticule est un objet dont la taille nanométrique lui donne souvent des propriétés physico-chimiques différentes que s’il avait des dimensions plus importantes. Typiquement, les nanoparticules ont une taille ne dépassant pas 100 nm, c’est-à-dire bien moins que la taille des cellules humaines. On rappelle que 1 nm = 10-9 m.
Le but des nanotechnologies est de produire des nanoparticules « manufacturées » ayant des propriétés voulues.
Habituellement on fragmente la matière pour obtenir plus petit (méthode top down en Anglais). Pour les nanoparticules, on peut faire de même ou alors utiliser la méthode contraire : on « manipule » des atomes/molécules pour construire un édifice (méthode dite bottom up en Anglais). Celui-ci a des propriétés nouvelles, car présentant une structure moléculaire différente de la matière ordinaire.
Quelques nanomatériaux et nanoparticules:
Les fullerènes sphériques : Les fullerènes sphériques sont les nanoparticules les plus connues du grand public, certainement grâce à la forme de ballon de football du C60, nommé footballène ou buckminsterfullerène. Celui-ci est composé de 60 atomes de carbone.
Leur découverte en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley fut couronnée par le prix Nobel de chimie en 1996. L’importance de cette découverte est liée au fait qu’avant, les seules formes cristallines identifiées du carbone étaient le graphite et le diamant.
Toutes les propriétés des fullerènes sphériques ne sont pas encore bien connues. Ils peuvent servir à la construction de nanomachines. Associée à une autre molécule, un fullerène sphérique peut même former un aimant organique à basse température.
Nanotubes de carbone : Les nanotubes de carbone sont une autre construction d’atomes de carbone. Ils sont aussi des fullerènes. Ils se présentent sous la forme d’un tube creux, de diamètre voisin du nanomètre, et dont la longueur est de quelques micromètres, mais souvent beaucoup plus.
Les nanotubes de carbone sont l’objet de recherches car leurs propriétés sont intéressantes. Ils ont une masse volumique 6 fois inférieure à celle de l’acier, mais se révèlent 100 fois plus résistants. Ils peuvent même être plus durs que le diamant. Leur conductivité électrique dépasse celle des bons conducteurs comme le cuivre. Leur résistance aux hautes températures est également impressionnante. Leur forme en tube ouvre la possibilité d’inclure des molécules au sein de cette structure.
Nanoparticules métalliques : Les métaux sont à l’échelle macroscopique ou microscopique peu réactifs, sauf dans certaines circonstances (oxydoréduction). Un échantillon macroscopique d’un métal semble inerte chimiquement : un scalpel est employé pour son aptitude mécanique à couper. Par contre, à l’échelle nanométrique, les nanoparticules métalliques ont un comportement souvent radicalement nouveau.
Par exemple : Le nano-argent est un puissant bactéricide. C’est la nanoparticule la plus produite industriellement, devant celles de carbone (fullerènes). Il est employé dans le domaine pharmaceutique, agroalimentaire (pesticides ou emballages), textile (anti-odeurs), électroménager, cosmétiques (déodorants).
A l’échelle nanométrique, l’or ne se présente plus comme un métal doré. Les longueurs d’onde qu’il absorbe dépendent de la taille de la nanoparticule. De plus, il est biocompatible : il se fixe sur des anticorps ou autres molécules biologiques. Les nanoparticules d’or ont la particularité de se regrouper près des tumeurs cancéreuses, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour localiser et détruire ces tumeurs.
Domaine d’application des nanotechnologies
Les cosmétiques:
Les crèmes solaires constituent un exemple d’emploi récent des nanoparticules. Le but d’une crème solaire est de filtrer les rayons ultraviolets. Pour remplir cette fonction, il existe deux types de crèmes solaires : chimiques ou minérales.
Les premières sont composées par exemple d’oxydobenzone :
Cette molécule absorbe les UV de la même manière qu’un pigment absorbe certaines couleurs. Cependant, la molécule présente une certaine nocivité.
Les crèmes solaires minérales utilisent de l’oxyde de zinc ou du dioxyde de titane . Ils se présentent sous la forme de solides blancs. Ils réfléchissent les UV, d’où leur rôle d’ « écran ». Les crèmes solaires minérales standards ont le défaut d’être difficile à étaler, et de laisser des marques blanches liées à la présence de ces substances.
Pour résoudre ce problème, les particules d’oxyde de zinc et de dioxyde de titane ont été réduites d’un diamètre de 300 nm à un diamètre inférieur à 50 nm (nanoparticules). Les deux matériaux gardent leur propriété optique de réfléchir les UV, mais ne forment plus de traces blanches. Elles peuvent être encapsulée dans des nanosphères transparentes en silice afin de les stabiliser et d’éviter des effets secondaires indésirables.
D’autres produits cosmétiques utilisent les nanoparticules. Les propriétés optiques de celles-ci sont employées dans des produits de maquillage. Les fullerènes sont appréciés en cosmétologie, tout comme le dioxyde de zinc ou dioxyde de silicium. Des dentifrices utilisent des nanoparticules de diverses compositions. Une des applications serait de rendre les dents moins sensibles au chaud, au froid, au sucré.
Les nanomédicaments:
Les médicaments sont par nature constitués de molécules actives. Dans l’organisme, elles vont agir sur des cellules cibles. Cependant, l’organisme dispose de nombreuses « barrières » immunitaires qui limitent grandement leur action. Seule une fraction infime des molécules de médicament ingérée ou injectée atteindra effectivement sa cible.
L’enjeu des nanomédicaments est d’encapsuler ces molécules dans des nanostructures (nanotubes de carbone par exemple) afin de les rendre inattaquables par le système immunitaire. En disposant des marqueurs spécifiques, les nanomédicaments pourront trouver leur cible à agir de manière très localisée. Ce transport de la substance active par la nanostructure est appelée la vectorisation du médicament. La piste des nanomédicaments est très étudiée, en particulier dans le cadre de traitements contre le cancer.
