Les applications des nanotechnologies

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1 Brussel-Bruxelles Liège Science Park Charleroi Rue du Bois Saint-Jean 12 Gent BE-4102 Seraing Hasselt tél. : Leuven fax : Liège Les applications des nanotechnologies F. Monfort-Windels, J. Lecomte Janvier V. 2 Toute représentation ou reproduction, intégrale ou partielle, faite sans le consentement de l auteur, ou de ses ayants droit, ou ayants cause, est illicite et constituerait une contrefaçon sanctionnée.

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3 Table des matières Introduction... 5 Les nanotechnologies au service des PME... 7 par F. Mon fort-wi ndels - Si rris Des nanotubes de carbone, dites -vous? par Ch. Bru ynse raede - IMEC Les nanotechnologies et le textile par K. Van de Voorde - IMEC; M. Schaerlaekens et T. De Me yere - Centexbel; C. Hertl eer - UGent - Unité d'étude Texti elkunde Nanos et autos : une affaire qui roule! par F. Mon fort-wi ndels - Si rris Vers un environnement plus convivial et une société durable avec les nanotechnologies par A. Buekenhoudt, L. Basti aens et L. Diels - VI TO Les nanotechnologies dans la production d énergie durable par F. Snijkers - VI TO Des nanos pour construire par F. Mon fort-wi ndels - Si rris 24 heures dans la vie d'un accro aux nanos par F. Mon fort-wi ndels - Si rris Les nanotechnologies dans le secteur bio -médical par D. Maes - IMEC Des micro- aux nanosystèmes par Ch. Bru ynseraede - IMEC Applications des micro- et nanosystèmes par Ch. Bru ynseraede et E. Parton - IMEC Les nanotechnologies dans votre assiette par S. Paulussen - VITO Nanotechnologies, où en sommes -nous? par F. Mon fort-wi ndels - Si rris

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5 Introduction Les articles regroupés dans cette brochure ont été publiés dans la série DES NANOS POUR GRANDIR! de la revue PME/KMO. Ils sont reproduits ici avec l'aimable autorisation de l'éditeur et des auteurs. Labellisé "Euréka", le programme Minatuse (Micro and Nano Technology Use by SMEs) a pour objectifs principaux de favoriser l intégration des micro- et nanotechnologies au sein des PME et d augmenter leur participation aux projets européens par la création d un réseau d assistance et guidance. Le consortium est composé de 18 organismes issus de 12 pays différents. Il met en réseau d importants centres européens de recherche dans le domaine des nanotechnologies et des organismes dédiés à la diffusion, au transfert de technologies et à l innovation technologique. Ce projet coordonné par l IMEC (Belgique) a démarré en 2005 et se poursuit sur 6 ans. Ses partenaires belges sont CeRDT (Gosselies), Sirris (Liège), IMEC (Leuven) et VITO (Mol). Ils vous accompagneront tout au long de ce voyage en 13 étapes. Pour bénéficier du soutien du programme Minatuse ou pour toute information, contactez l un des partenaires belges : CeRDT, Philippe Crêteur, tél , Sirris, Jacky Lecomte, tél , IMEC, Christophe Bruynseraede, tél , VITO, Annick Vanhulsel, tél ,

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7 Les nanotechnologies au service des PME Octobre 2006 F. Monfort-Windels Sirris Bienvenue dans le nanomonde. Ce monde fabuleux où se côtoient des surfaces auto-nettoyantes, de l'or rouge, des diodes émettant une lumière blanche à haut rendement ou des matériaux légers mais d'une dureté exceptionnelle. Des technologies nouvelles qui ont quitté les laboratoires pour s'intégrer dans les grands secteurs industriels. Pourtant, le taux de transfert de ces technologies aux PME est encore faible. Sans doute l'information passe-t-elle mal. Dans le cadre du programme Minatuse, des experts ont écrit une série de 13 articles qui brossent un panorama des applications actuelles des nanotechnologies. Vous avez dit "nano"? Le nanomonde provoque depuis quelques années un véritable engouement chez les chercheurs, dans les entreprises, et même, de plus en plus, dans le grand public. Les effets des structures à l'échelle nanométrique (1 nanomètre = 1 nm = 10-9 m, soit un millième de micron) dans les matériaux sont connus depuis longtemps. Ainsi, par exemple, les propriétés mécaniques des fibres de nylon (diamètre 5 µm) sont déterminées essentiellement par des structures supramoléculaires comme les cristallites (5 nm) et les fibrilles (50 nm) de dimensions "nano". On sait qu'à cette échelle, les matériaux présentent de nouvelles propriétés et de nouvelles fonctions qui débouchent d'ores et déjà sur des applications innovantes. Alors pourquoi, depuis la fin des années 90, les nanotechnologies occupent-elles autant le devant de la scène scientifique et industrielle? L'impulsion a probablement été donnée par la mise au point du microscope à force atomique (AFM) qui a permis d'entrer au cœur du nanomonde. Sont intervenus aussi des outils permettant d'agir et de manipuler les matériaux presque atome par atome : nano-brucelles, épitaxie, lithographie, Cette capacité de synthétiser des éléments de base à une nanoéchelle, avec un contrôle précis des dimensions, puis de les assembler en structures plus grandes va révolutionner des pans entiers de l'industrie. S i r r i s p a g e 7 / 79

8 Que sont les nanotechnologies? Le terme "nanotechnologies" recouvre les activités de conception, de fabrication et d'utilisation de structures d une dimension inférieure à 100 nanomètres. Leur mise en œuvre nécessite le développement de matériaux spécifiques très variés selon les applications visées. On peut les classer selon leur dimensionnalité. NANO-0 D : Agrégats, amas, nanoparticules, cristallites quantiques, nanocristaux, nanophases, poudres ultrafines, milieux hautement dispersés NANO-1 D : Nanotubes, nanofibres NANO-2 D : Couches minces, revêtements et membranes submicroniques nanostructurées, nano-argiles exfoliées (nanoclays), NANO-3 D : Polycristaux à grains submicroniques, matériaux nanostructurés, revêtements et membranes épaisses nanostructurés, solides nanoorganisés, nanocéramiques, nanocomposites S i r r i s p a g e 8 / 79

9 Ces éléments de base peuvent aussi être utilisés dans la construction de micro et nanosystèmes (MEMS, NEMS) : il s'agit de systèmes intelligents multifonctionnels miniaturisés qui combinent des fonctions de détection, d'actionnement et de traitement. Ainsi, les détecteurs de gaz sont constitués de films sensibles ultraminces ou nanostructurés. Revêtements minces hybrides organo-inorganiques La jeune start-up Nanoxid sprl de Louvain-la-Neuve, développe et commercialise des laques hybrides organo-inorganiques basées sur les nanotechnologies et la technologie Sol-Gel. L'objectif est d'ajouter au matériau de base des caractéristiques qui vont améliorer la fonctionnalité et l'esthétique du produit fini. Ces produits sont notamment utilisés dans l'électroménager. En effet, les produits Nanoxid rendent les surfaces métalliques comme l'inox ou le titane non seulement quasi insensibles aux traces de doigts, mais augmentent également la dureté superficielle et la résistance aux taches d'aliments. La laque Nanoxid combine la dureté et la transparence du verre avec les avantages des laques organiques sans modifier la technique d'application. On peut créer des couches transparentes, dures, tout en maintenant le touché métallique et en laissant la surface et la structure du métal visible. Elle peut être livrée dans quasi tous les coloris ainsi qu'en finition brillante ou mate. Toutes les cuisines «à façade Titane» sont aujourd hui exclusivement revêtues par un produit «easy-toclean» de Nanoxid, une jeune start-up de Louvain-la-Neuve Source : Nanoxid P. Fiasse CeRDT S i r r i s p a g e 9 / 79

10 Les nanomatériaux, pourquoi? Le succès des nanomatériaux tient à ce que les caractéristiques de la matière changent fortement quand on passe de l'état massif à l'état nanométrique et à ce que les propriétés inédites ainsi apparues ouvrent la voie à des innovations importantes, voire à des ruptures technologiques. La structuration à une échelle nanométrique permet d'améliorer les performances grâce à plusieurs effets : une réduction de la dimension des particules, un accroissement des surfaces spécifiques et des interfaces, une amplification des interactions entre matériaux, un effet de confinement. Ces effets se combinent souvent dans les applications. Effet de taille Comme défini plus haut, un nano-objet présente, pour une de ses dimensions au moins, une taille inférieure à 100 nm. C'est ainsi qu'il est possible de modifier la résistance à l'abrasion d'un plastique transparent sans modifier ses propriétés optiques par l'addition de nanoparticules que ne perçoit pas l'œil. Autre application importante : des nanoparticules assemblées sur une surface peuvent former une structure fonctionnelle qui la rend hydrophobe, empêche les salissures de se déposer et crée la texturation nécessaire à l'effet Lotus qui la rendra autonettoyante. Effets de surface et d'interfaces Les nanomatériaux se caractérisent par une augmentation des surfaces spécifiques et/ou une multiplication des interfaces. La proportion des atomes de surface peut atteindre 50% pour une particule de 3 nm. Il en résulte une réactivité extrêmement élevée, une énergie de surface considérable et des possibilités de contact et d'interaction directe entre composants importantes. Ainsi, les métaux nanocristallins ont des propriétés de dureté élevées grâce à la grande densité de défauts et dislocations. Autre exemple : le ratio surface-volume particulièrement élevé des nanoparticules permet de créer des catalyseurs qui peuvent (ad)absorber davantage de matière, avec des cinétiques de réactions plus grandes, d'où leur intérêt, par exemple, dans les pots catalytiques des voitures. Modification des propriétés électroniques En deçà de 50 nm, les règles de la physique quantique prévalent sur les lois de la mécanique. La faible taille des nano-objets élémentaires conduit à des propriétés électroniques, magnétiques et optiques différentes de celles des matériaux massifs de même nature. La structure électronique du matériau se trouve modifiée : effet tunnel, effet de confinement, propriétés quantiques... Ainsi, l'or jaune est rouge sous forme de nanoparticules. Ainsi, les diodes émettrices de lumière (LED) basées sur l'utilisation de nanophosphores peuvent fournir une lumière blanche à haut rendement qui permettra d'élargir leur champ d'application à l'éclairage domestique. S i r r i s p a g e 10/ 79

11 Amplification des interactions Les mélanges de composants nanométriques deviennent plus intimes, ce qui intensifie les interactions. On peut ainsi obtenir des propriétés particulières par le couplage à l'échelle nanométrique de matériaux différents. Ces phénomènes tels que la "magnétorésistance géante" - sont à la base d'une nouvelle électronique, la spintronique, dont on attend un impact important sur les technologies de l information et de la communication. Dans le domaine de l'optique, la nanostructuration permet d'obtenir des matériaux d'indice faible, qui, déposés en une couche ultramince sur du verre, permet d'annuler la réflexion air/verre. Ce principe est utilisé pour réaliser des vitrages antiréfléchissants. Ces quelques exemples illustrent la variété des effets de l'échelle "nano" de la matière, variété à l'origine de la diversité des applications dans lesquelles les nanomatériaux sont ou seront impliqués. L'enjeu économique de ces matériaux sera énorme dans les années à venir et couvrira directement ou indirectement l'ensemble des secteurs industriels. Des applications innovantes, mais des risques Les nanotechnologies font l'objet de nombreuses recherches de par le monde, et les Etats leur consacrent de gros budgets. Et, si, pendant quelques années, les travaux et publications dans le domaine des nanotechnologies étaient centrés sur les aspects scientifiques, aujourd'hui, l'accent s'est déplacé vers la technologie et la commercialisation des produits. Le monde "nano" présente des potentialités économiques impressionnantes. Les applications sont émergentes dans les domaines de l'industrie automobile, aéronautique et spatiale, de l'électronique, de la pharmaceutique et des biotechnologies, de l'énergie et de l'environnement. Une série d'articles fera le point sur les réalisations dans certains de ces secteurs. Mais des voix s'élèvent de plus en plus, qui s'interrogent sur les effets potentiellement néfastes des nanomatériaux, liés spécifiquement à leur taille. Un autre article fera le point sur les incertitudes quant à leur impact potentiel sur la santé de l'homme et sur l'environnement. S i r r i s p a g e 11/ 79

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13 Des nanotubes de carbone, dites-vous? Novembre 2006 Ch. Bruynseraede IMEC Les nanotubes de carbone sont à la mode : depuis une dizaine d année, ces macromolécules font un tabac auprès des scientifiques, des ingénieurs et même dans les entreprises. De quoi s agit-il et pourquoi ces nouveaux matériaux provoquent-ils une telle excitation? Les nanotechnologies sont à l ordre du jour dans le monde de la recherche. Cette nouvelle discipline est exercée par les scientifiques dans différents domaines de recherche, et ils ont un objectif commun : fabriquer des structures qui, au moins dans une des trois dimensions, ont une taille inférieure aux 100 nanomètres (1 nanomètre = 1 nm = 1 millionième de millimètre). Ces nanostructures suscitent un énorme intérêt parce que l on s attend à ce qu elles aient des propriétés supérieures aux structures plus classiques. La concentration des efforts de recherches a conduit au développement de nouveaux matériaux fascinants, tels les nanotubes. D une résistance mécanique plusieurs fois supérieure à l acier, capables de remplacer les métaux et les semiconducteurs en électronique, ces matériaux sont pressentis pour ouvrir la porte à de nombreuses nouvelles applications. Que sont les nanotubes de carbone? Les nanotubes sont des structures composées en grande partie de carbone. Le carbone pur se trouve dans la nature sous plusieurs formes dont le diamant et le graphite. Le diamant est très dur et coûteux, alors que le graphite est plus tendre et utilisé souvent comme lubrifiant. La différence entre le diamant et le graphite réside dans l agencement de leurs atomes de carbone. Dans le diamant, les atomes adoptent une structure en trois dimensions, alors que dans le graphite, ils se présentent en empilements de couches dans lesquelles les atomes sont disposés en hexagones, un peu comme des piles de treillis métalliques. Un nanotube de carbone peut se représenter comme une couche de graphite que l on enroulerait pour obtenir un étui d un diamètre de quelques nanomètres. Ils peuvent également se présenter en plusieurs couches concentriques. Qu ont-ils de si spécial, ces nanotubes? Les nanotubes de carbone ont des diamètres internes très faibles de 0.4 à 5 nmmais peuvent atteindre jusqu à 1 mm de long. Ces structures sont donc de dimension moléculaire dans une direction, et de taille visible dans une autre direction. Ils transposent les propriétés uniques du carbone moléculaire à une échelle macroscopique, ce qui amène plusieurs conséquences pratiques. Au niveau des propriétés mécaniques, les nanotubes font partie des matériaux les plus résistants. Un nanotube est cent fois plus résistant que l acier, aussi dur que le diamant, tout en restant très flexible. Ces propriétés exceptionnelles sont surtout dues aux liaisons fortes entre les atomes de carbone. S i r r i s p a g e 13/ 79

14 Ces liaisons sont également à la base des excellentes propriétés thermiques et électriques des nanotubes : ils sont stables jusqu à 2800 C, ont une conductivité électrique double de celle du diamant, et peuvent transporter un courant électrique 1000 fois plus important qu un fil de cuivre sans brûler. De plus, les propriétés électriques dépendent fortement du diamètre et de la longueur des tubes, mais aussi de la géométrie du tube : cela détermine si le nanotube a les propriétés d un métal ou d un semi-conducteur. Une telle variété de propriétés est unique, et très intéressante pour des applications dans le domaine électronique. Nanocyl Applications des nanotubes de carbone Les nanotubes de carbone présentent de nombreuses propriétés intéressantes, qui incitent à les intégrer dans des matériaux classiques pour créer des applications originales. Voici quelques-unes de ces applications : Les matériaux composites Comme ces nanotubes présentent à la fois une grande souplesse et une importante résistance à la traction, on peut les utiliser comme fibres de carbone dans des matériaux composites. La plupart de ces matériaux composites sont composés d une matrice de résine polymérique, renforcée de fibres de verre, de carbone, d aramide ou de fibres naturelles. Certains de ces composites permettent d obtenir des comportements mécaniques approchant ceux que l on peut obtenir avec des métaux, tout en réduisant le poids de la structure. Aujourd hui certaines entreprises mettent au point des composites contenant des nanotubes de carbone dans une matrice polymérique. Ces composites permettent d allier une plus grande flexibilité à une excellente résistance mécanique. La nano-électronique La miniaturisation des composants électroniques conduit également à la miniaturisation des circuits électriques qui les relient. Comment peut-on fabriquer des fils nanométriques capables de conduire le courant sans chauffer ou se couper au cours du temps? S i r r i s p a g e 14/ 79

15 Les nanotubes peuvent apporter une solution à ce problème, eux qui peuvent se présenter comme des conducteurs ou des semi-conducteurs selon leur structure. De plus, et grâce aux fortes liaisons entre les atomes de carbone, ces tubes sont très stables thermiquement, mécaniquement et chimiquement. Mais les applications des nanotubes ne se limitent pas au «câblage», on peut également en faire d excellentes connexions électroniques. Dans les transistors, le courant électrique circule entre deux points de contact à travers un semi-conducteur. Aujourd hui ces semi-conducteurs sont en silicium, dans les nano-transistors de demain ils pourront être faits de nanotubes. Ces nano-connexions pourraient facilement travailler cent fois plus vite que les transistors au silicium les plus rapides, en utilisant la même puissance. Les écrans plats Lorsque des nanotubes sont placés verticalement sur une surface et sont soumis à une tension électrique, ils émettent des électrons à grande vitesse par leur pointe, capables d illuminer des particules phosphorescentes sur un écran. Comme cette pointe est très acérée, les nanotubes peuvent «émettre» sur un plus large spectre que d autres matériaux. Leur grande résistance leur donne également une plus longue durée de vie. Ces propriétés ont conduit au développement d écrans plats plus lumineux et consommant moins d énergie que les écrans LCD et plasma. Une technologie innovante, avec quelques obstacles Le transfert de telles applications du laboratoire vers la production exige une amélioration des méthodes de production actuelles, afin de pouvoir fournir des nanotubes d une qualité et d une pureté suffisantes, en quantités industrielles et à des coûts compétitifs. Typiquement il faut 10 à 20 ans pour passer de la découverte d une nouvelle technologie à son application à grande échelle. Les nanotubes ont été découverts en On peut donc s attendre dans les prochaines années à une spectaculaire émergence des applications de ces matériaux moléculaires dans une large gamme de technologies nouvelles ou existantes. S i r r i s p a g e 15/ 79

16 Profil de Nanocyl Nanocyl est l un des principaux producteurs de nanotubes de carbone en Europe. Nanocyl a vu le jour en 2002 avec pour objectif de croître jusqu à devenir le leader mondial dans la production de nanotubes de carbone spécialisés et industriels. Aujourd hui, Nanocyl compte 28 collaborateurs et a ouvert un bureau aux Etats- Unis début Avec sa présence américaine, Nanocyl souhaite élargir ses activités vers les Etats-Unis, un marché avec un potentiel indéniable pour Nanocyl. Manipulation en laboratoire chez Nanocyl Nanocyl a recours au processus de production HACCP et peut de la sorte développer en permanence de nouveaux produits avec une valeur ajoutée particulière, comme la gamme NC9000 lancée récemment. L entreprise développe des nanotubes spécialisés pour le secteur automobile de même que pour des d entreprises d avant-plan actives dans la production de matières synthétiques et dans la fabrication d équipements et de matériel pour semiconducteurs. Par ailleurs, Nanocyl participe aussi très activement à plusieurs projets de recherche à l échelle européenne autour de la nanotechnologie, comme Inteltex et Ambio. Nanocyl est basée à Sambreville (Belgique) et aura au printemps 2007 le statut à part entière d acteur industriel, avec une plus grande unité de production et davantage de capacité de production. S i r r i s p a g e 16/ 79

17 Les nanotechnologies et le textile Décembre 2006 K. Van de Voorde - IMEC M. Schaerlaekens et T. De Meyere - Centexbel C. Hertleer - UGent - Unité d étude Textielkunde Introduction Les nanotechnologies sont des technologies interdisciplinaires en émergence, qui devraient constituer la nouvelle révolution industrielle. Ses fondements reposent sur le fait que les propriétés des matériaux changent radicalement lorsque leurs dimensions sont réduites à l échelle nanométrique. Avec d'autres, le secteur textile a découvert les possibilités des nanotechnologies. Ainsi, par exemple, les experts tentent avec ténacité d égaler les propriétés autonettoyantes de la feuille de lotus dans des applications textiles via les nanotechnologies. De telles applications frappent l imagination. Définition des nanotechnologies pour le textile Le textile intelligent et les nanotechnologies sont des termes à la mode, souvent employés sans que les propriétés revendiquées soient directement liées à la technologie utilisée. Cette situation confuse ne peut plus durer. C est pour cette raison que le secteur textile a commencé à développer une sorte de label de qualité. Selon celui-ci, un matériau textile reçoit le label "nanotechnologies" uniquement si (a) les nanoparticules ou structures sont ordonnées systématiquement pour aboutir à une nouvelle fonction, (b) les nanotechnologies offrent à l utilisateur une amélioration évidente d une fonctionnalité avec un effet négligeable sur les propriétés textiles et (c) les nanoparticules sont résistantes aux processus de nettoyage et n ont pas d effet négatif sur la santé et le confort. Ce label peut constituer une première étape vers une certaine standardisation des nanotechnologies. Intégration de nanoparticules dans le textile Les nanoparticules peuvent être introduites à deux niveaux dans le processus de production de textile : lors de la fusion du polymère et d'extrusion du fil et lors de l enduction. Le processus de production doit certes être adapté en fonction du type de nanoparticule utilisé. Il s agit là d une tâche à ne pas sous-estimer. L utilisation de nanoparticules dans le processus d extrusion introduit des fonctionnalités intrinsèques Grâce aux petites dimensions des nanoparticules, on peut les mélanger au polymère avant l extrusion. On peut ainsi introduire de nouvelles fonctionnalités. Nous parlons ici essentiellement des nanoparticules à base d argile, d oxydes métalliques ou de nanotubes de carbone. S i r r i s p a g e 17/ 79

18 En reproduisant à l échelle nanométrique la surface de la feuille de lotus, on peut rendre le textile autonettoyant (Source : Nanoparticules d argile L argile se compose de milliers de couches d une épaisseur d un nanomètre seulement. L ajout d une petite quantité d argile (2 à 5 %) peut déjà avoir un impact significatif sur les propriétés. La littérature décrit de nombreuses propriétés des nanocomposites avec particules d'argiles qui peuvent être intéressantes également pour le secteur textile. Une vaste revue de ces caractéristiques a été effectuée : amélioration des propriétés mécaniques, réduction du rétrécissement, capacités ignifuges, stabilité aux UV, conductivité, résistance à l usure, substantivité, propriétés haptiques, réduction du fluage. Il ressort de cet examen que les résultats atteints dans les secteurs connexes peuvent difficilement servir d étalon pour les applications textiles. Cette observation est valable tant pour le processus de traitement, que pour les propriétés des produits. Bien que l ajout de nanoparticules d argile entraîne une augmentation nette de la thermostabilité des matériaux, les tests pratiques sur des textiles ne mesurent qu'une amélioration insuffisante de la tenue au feu. En outre, l impact de l argile sur les propriétés mécaniques, sur le comportement de rétrécissement et sur le fluage des fils est faible. Une amélioration considérable a cependant pu être réalisée au niveau du comportement antistatique et de la substantivité. Les nanoparticules d argile ont par contre un impact négatif clair sur la stabilité aux UV. Nanoparticules d oxydes métalliques Les nanoparticules d oxydes métalliques, telles que le TiO2, l Al2O3, et le ZnO, sont ajoutées en raison de leur conductivité électrique favorable, de leur effet antibactérien et de leurs propriétés d absorption des UV. Nanotubes de carbone Dans le futur, l utilisation de nanotubes de carbone (CNT, voir l article précédent de cette série) sera davantage étudiée. L'amélioration de la résistance mécanique et de la conductivité électrique qu ils apportent aux fils ouvre de nombreuses applications nouvelles. Jusqu'ici toutefois, la recherche dans ce thème est limitée compte tenu du prix élevé des CNT et de la couleur noire qu ils confèrent aux fils. S i r r i s p a g e 18/ 79

19 Utilisation de nanoparticules dans les enductions de textile pour l élaboration de fonctionnalités de surface La nanotechnologie peut donner un effet antibactérien au textile et peut aussi freiner les infections dans les hôpitaux (Source : Le SiO2, l Al2O3, et le ZnO constituent quelques exemples de nanoparticules qui peuvent être ajoutées aux enductions et qui font l objet de nombreux travaux à l heure actuelle. En fonction des additifs utilisés, on peut obtenir des effets tels qu une meilleure résistance au feu, une plus grande résistance à la traction et/ou une meilleure tenue au vieillissement. Les nanoparticules suscitent un grand intérêt car une faible concentration d'additif permet d obtenir des effets importants. Le problème est que pour obtenir des effets, les additifs doivent rester sous forme nano. Or, comme les nanoparticules ont fortement tendance à s agglomérer, il n est pas toujours évident de réaliser une enduction finale avec des nanoadditifs répartis de façon optimale. Il est impératif que les nanoparticules soient bien enrobées dans l'enduction, notamment pour éviter qu'elles ne se libèrent du produit fini, ce qui peut constituer un risque pour la santé. S i r r i s p a g e 19/ 79

20 Le textile instrumenté (Univ. of Pisa) est constitué de nombreux capteurs piezorésistifs imprimés directement sur un tissu en lycra et permet de capturer une information globale du mouvement du bras. Un système de capture de mouvement inertiel/magnétique (CEA/LET) permet en complément de fournir une valeur quantitative des mouvements du bras. L utilisation de CNT au niveau de l'enduction va également faire l objet de recherches dans l avenir. C est en particulier la conductivité électrique qui est visée. Applications potentielles Plusieurs propriétés intéressantes ont déjà été évoquées dans le paragraphe qui traite du processus de production : amélioration de la conductivité électrique, effet antibactérien, anti-uv, plus grande résistance au feu, anticorrosion, plus grande résistance à la traction et plus grande tenue au vieillissement. On peut associer ces propriétés à de nombreuses applications intéressantes. Quelques exemples : Les nanoparticules avec un effet antibactérien sont clairement axées sur les applications médicales et de protection de la santé. Certains oxydes spécifiques présentent des propriétés de protection contre les bactéries lorsqu ils sont utilisés dans des enductions. Comme indiqué plus haut, il est essentiel que les particules ne se libèrent pas de leur support textile, sans quoi l'effet obtenu serait inverse et les textiles traités constitueraient plutôt un danger pour la santé. L utilisation de nanoparticules qui permettent d obtenir une résistance aux UV et qui réfléchissent les infrarouges est intéressante pour de nombreuses applications textiles où le confort est important, comme dans le sport, mais également dans le secteur de la construction, pour les bâches par exemple. L utilisation de nanoparticules présentant des caractéristiques ignifuges dans les vêtements des services de secours peut permettre de sauver des vies. Les tenues d incendie sont plus sûres et les habits de protection, plus solides. Il est clair que vu ces propriétés, les applications de produits textiles contenant des nanoparticules vont connaître une croissance explosive dans les prochaines années. S i r r i s p a g e 20/ 79

21 Nanos et autos : une affaire qui roule! Janvier 2007 F. Monfort-Windels Sirris L'automobile est un secteur important pour les nanotechnologies et les tire vers l'avant, à la recherche de réduction de prix d'un côté et d'accroissement de performances technologiques de l'autre. Frost & Sullivan estime que si le marché global du nano dans l'automobile était de 932 millions en 2004, il sera de 5.43 milliards en La demande concerne aussi bien des améliorations de produits comme de nouveaux revêtements de surface que des innovations à fort impact industriel comme des capteurs ou de nouvelles sources d'énergie. Peu de produits basés sur les nanotechnologies sont déjà disponibles à une échelle réellement commerciale, et à cause de ce manque d'économie d'échelle, justement, les coûts restent élevés par rapport à ceux des solutions plus conventionnelles. La réduction des prix devrait ouvrir de nouvelles opportunités. Le marché des nanotechnologies dans l'automobile en 2015 Additifs et catalyseurs de carburants Pneus 4% 23% Piles à combustible et stockage H2 1% Peintures et revêtements 42% Structures légères 26% Capteurs 4% Source : Frost & Sullivan Il n'est pas possible de faire une liste exhaustive de tous les composants qui, dans un véhicule, bénéficieront de l'apport des nanotechnologies. On n'en retiendra que quelques-uns. Pneumatiques La première application - historiquement et en volume - est celle du noir de carbone dans les pneus. Elle est apparue dès le début des années 80 et représente aujourd'hui 95% du marché des nano dans l'automobile. En volume, il ne devrait pas y avoir de grands changements dans les années à venir. S i r r i s p a g e 21/ 79

22 Plus récemment, des recherches ont été menées pour remplacer une partie du noir de carbone par des nanoparticules de silice. Cette solution réduit la résistance au roulement et donc la consommation de carburant. Châssis et carrosserie Noir de carbone - Cabot Corporation Le domaine des structures légères est appelé à dépasser en valeur le marché des pneus. Le besoin d'allègement des véhicules reste pressant, dans l'objectif de réduire la consommation de carburant et l'émission de gaz nocifs. Les nanotechnologies déboucheront sur des matériaux plus résistants et plus légers soit par l'introduction de nanoparticules, soit par la maîtrise de la structure à une nanoéchelle. Pour une même application, il est alors possible d'atteindre la même résistance mécanique avec moins de matière et donc moins de poids, ou avec une matière plus légère dont les performances ont été améliorées. Les polymères renforcés de nanoparticules d'argile jouent ici un rôle essentiel. Une faible quantité de particules (2-5 %) suffit pour obtenir une amélioration significative de propriétés comme la résistance, l'élasticité ou la stabilité dimensionnelle ou de caractéristiques spécifiques comme la tenue au feu pour les pièces intérieures ou la résistance aux intempéries pour les pièces extérieures. General Motors a ouvert la voie en 2002 avec un marchepied pour ses modèles Safari et Astro. La pièce a gagné 8 % en poids. La firme poursuit ses applications, avec par exemple le plancher de chargement du camion Hummer H2 en polypropylène + nanocharges. Süd-Chemie a développé une grille de ventilation dans un alliage nanocomposite pour VW et Audi. D'autres pièces sont à l'étude : montants de portière, planches de bord, couvercles d'air bag, filtres à air S i r r i s p a g e 22/ 79

23 Des nanocomposites pour le plancher de chargement du camion Hummer H General Motors Les pièces de carrosserie en plastique doivent passer dans des lignes de peinture électrostatique en même temps que le métal, et des solutions à base d'addition de nanotubes de carbone sont à l'étude pour rendre les polymères conducteurs. Signalons que depuis quelques années déjà, de très nombreux véhicules contiennent des nylons chargés de nanotubes de carbone pour protéger les réservoirs de carburant contre l'accumulation des charges électrostatiques. Le magnésium présente un grand intérêt pour l'automobile. Il est 30% plus léger que l'aluminium et 80% plus léger que l'acier. Son utilisation est en croissance car il présente un excellent rapport résistance/poids. Mais il a deux points faibles : sa résistance aux températures élevées et sa sensibilité à la corrosion. La maîtrise de la structure des alliages à l'échelle nanométrique et la mise au point de revêtements nanocomposites pourraient résoudre ces problèmes. Moteurs et transmission Les objectifs dans ce domaine sont d'améliorer le rendement thermique et les performances mécaniques des systèmes tout en réduisant les émissions nocives (et toujours, bien sûr, les coûts). Les nanomatériaux seront présents dans les structures internes des moteurs, par exemple, sous forme de revêtements nanocéramiques résistant à l'usure et à la température dans les cylindres, les pistons, les roulements Les matériaux nanocristallins qui se caractérisent par un important rapport joints de grain/nombre de grains présentent une plus grande résistance mécanique et thermique. Les céramiques nanostructurées (zircone, alumine) ou nanorenforcées (alumines + nitrure de silicium) sont déjà largement étudiées pour le chemisage des moteurs. Elles sont plus ductiles et plus formables, mais toujours dures et résistantes. Des céramiques nanocristallines de nitrure de silicium (Si3N4) et de carbure de silicium (SiC) sont déjà utilisées pour des roulements à billes et des ressorts de soupapes. S i r r i s p a g e 23/ 79

24 Des nanopoudres de céramique pour des coatings plus efficaces - Sirris Des nanopoudres à base de tungstène et de borure de titane, dures, résistantes à l'usure et à l'érosion pourront améliorer la durée de vie des bougies d'allumage et permettre une combustion plus complète du carburant. Les nanomatériaux apparaissent aussi dans les lubrifiants, les réfrigérants, les liquides de suspension. Les lubrifiants basés sur des nanosphères réduisent de manière plus efficace le frottement entre les pièces mobiles et minimisent leur usure; ils améliorent les performances générales des systèmes et diminuent les frais d'entretien. Des lubrifiants de synthèse constitués de nanoparticules inorganiques et sphériques - Apnano Materials De nombreuses recherches développent des fluides réfrigérants basés sur des suspensions de nanoparticules dans une phase liquide. La conductivité du fluide étant liée au rapport surface/volume des particules, le transfert de chaleur par les nanofluides est donc plus efficace. De plus les petites particules restent en suspension plus facilement que les plus grandes. S i r r i s p a g e 24/ 79

25 Peintures et revêtements Le marché des peintures et revêtements a adopté le nano assez vite. Cet ensemble d'applications restera leur principal créneau en valeur dans les 10 ans à venir. La première application est la peinture résistante à la rayure. Une couche nanomatériau unique est aussi efficace que trois couches de coating classique. A gauche : carrosserie avec une peinture classique; à droite : peinture avec nanoparticules (Nanobyk) résistant à la rayure - Byk-Chemie Les perspectives des nanomatériaux sont intéressantes dans le domaine des surfaces fonctionnelles comme les surfaces autonettoyantes, à effet lotus. On retrouvera les nano dans des matériaux pour l'amélioration de la qualité et du confort perçus, dans des revêtements avec des fonctions sensorielles, antistatiques, isothermes, hydrophiles, hydrophobes, antibactériennes, dans des revêtements iridescents, des vitrages électrochromes ou thermochromes, des pare-brise antireflets etc. Des surfaces rendues hydrophobes - BASF S i r r i s p a g e 25/ 79

26 La nanostructure des ailes du papillon : un modèle pour les peintures de carrosserie à effets visuels - BASF Equipement électrique et électronique L'automobile est un grand utilisateur de capteurs et de systèmes miniaturisés (MEMS). Deux applications sont déjà bien connues : l'accéléromètre de l'air bag et le capteur de pression d'admission d'air. Ce marché sera piloté par les nanotechnologies, même si aujourd'hui les dispositifs sont encore coûteux. Les capteurs et les dispositifs électroniques permettent une meilleure interface homme/machine, une amélioration des technologies sans fil, une adaptabilité de l'ergonomie (sièges ajustables), un contrôle de la pression des pneus Ce marché est encore embryonnaire. On étudie aussi des systèmes de vision nocturne, des systèmes de contrôle de la qualité de l'air dans l'habitacle, des capteurs de gaz d'échappement, des vitrages interactifs Les NEMS (nano-mechanical systems) ne devraient apparaître qu'à partir de Les nouvelles diodes LED basées sur les nanomatériaux (quantum dots) révolutionneront l'éclairage dans l'automobile. Les équipementiers sont intéressés par les économies d'énergie, la robustesse, la durée de vie, le gain de place et les possibilités de design attrayant offerts par ces produits. Energie La problématique de la génération d'énergie et de son stockage trouvera également des solutions dans le nano : piles à combustible, stockage de l'hydrogène, batteries, catalyseurs, additifs pour fuel La réduction de la consommation d'énergie fossile et de l'émission de gaz nocif motive une R & D intense. L'utilisation majeure sera ici les catalyseurs et électrodes pour les piles à combustible, à partir de S i r r i s p a g e 26/ 79

27 Des nanocubes pour le stockage d'hydrogène - BASF Utilisé en combinaison avec des métaux très coûteux comme le platine, les nanomatériaux, chimiquement très réactifs, permettent de réduire leur quantité dans les catalyseurs. Ils sont 679 fois moins chers! D'autre part, ils sont actifs dans une large gamme de température (- 4 à 500 C) ce qui les rend efficace sous tous les climats, alors que les catalyseurs classiques travaillent efficacement à 125 C seulement, et sont donc longs à s'échauffer, surtout lorsqu'il fait froid. L'incorporation d'additifs dans les fuels catalyse les réactions de combustion in situ, augmente leur rendement et diminue les émissions nocives. Les nanoparticules, très réactives, restent en suspension là où les particules classiques coulent : elles sont donc plus efficaces. L'avenir Avec l'accélération des recherches dans les nanotechnologies, de nouvelles fonctions et de nouveaux produits devraient apparaître dans les années à venir, à un rythme qui reste incertain. En effet, le coût des investissements est élevé, le public n'est pas encore vraiment sensibilisé et les risques des nanomatériaux pour la santé et l'environnement ne sont pas encore cernés. L'implémentation des nano dans l'automobile est quelque peu freinée en l'attente des résultats des études en cours. S i r r i s p a g e 27/ 79

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29 Vers un environnement plus convivial et une société durable avec les nanotechnologies Février 2007 A. Buekenhoudt, L. Bastiaens et L. Diels VITO Les nanotechnologies ont d abord été dédicacées au développement d éléments optiques à l échelle nanométrique (<100 nm) dans des systèmes informatiques. Cependant, les nanotechnologies ont également un énorme potentiel dans la résolution de problèmes environnementaux. Le secteur de l environnement est aujourd hui noyé par une vague de nouvelles idées issues des nano-technologies. Celles-ci peuvent jouer un rôle dans trois domaines : La réduction de l utilisation de matières premières, couplée à la réduction des déchets. Le développement de capteurs pour le contrôle de l environnement, la détection des pollutions. La remédiation aux pollutions existantes dans l eau, l air ou le sol. Les matières premières sont l épine dorsale de notre économie. L utilisation actuelle de ces matières premières est tellement intensive qu elle met en danger les générations futures et l évolution des pays en voie de développement. De plus certaines des technologies actuelles font un tel usage des matières premières qu elles ont sur l environnement un impact qui menace de dépasser ses possibilités. Pensons au réchauffement de la planète et à la problématique du CO2. Les nanotechnologies offrent beaucoup de possibilités pour économiser l utilisation des matières premières, notamment en améliorant l efficacité des énergies renouvelables (énergie solaire, piles à combustible), le stockage d énergie (batteries rechargeables, stockage d hydrogène), et les possibilités d utilisation de matériaux plus disponibles (comme l utilisation d oxydes métalliques nano-structurés comme alternative aux métaux rares pour la catalyse). Cet aspect des nanotechnologies est explicité plus en détail dans d autres articles de cette série. Tests en laboratoire : purification de nappes aquifères polluées à l aide de particules de fer à la valence zéro. S i r r i s p a g e 29/ 79

30 La faculté de détecter les pollutions est un premier pas pour y remédier. Aujourd hui il existe beaucoup de méthodes de mesure pour différents éléments polluants. Mais les progrès dans les nano-technologies offrent des possibilités d amélioration de la sensibilité et de la rapidité de la détection, avec des appareils plus petits et plus facilement transportables. Ainsi sont développés aujourd hui des capteurs constitués de fins films de dioxyde d étain pour mesurer de très faibles concentrations de NO2 et de CO dans l atmosphère. Ces capteurs sont faciles à utiliser et très bon marché comparés aux techniques conventionnelles comme la chromatographie en phase gazeuse ou l absorption infrarouge. Les nano-biotechnologies permettent également de développer des capteurs biochimiques sensibles capables de détecter des contaminants organiques de petite taille ou des toxines. La détection est basée sur la reconnaissance moléculaire ou d autres techniques biochimiques. Cependant, le plus important apport à l environnement et au développement durable que puissent apporter les nano-technologies, est la remédiation aux pollutions de l air, de l eau et du sol. La problématique de la production d une eau potable bon marché et de bonne qualité est l un des plus grands défis auxquels est confrontée l humanité. A côté de cela, le réchauffement de la planète (qui est une conséquence de notre dépendance aux combustibles fossiles) et la diminution du CO2 dans l environnement sont devenus également des problèmes mondiaux aigus. La pollution des sols est principalement une conséquence de nos activités industrielles passées, peut aussi avoir de lourdes conséquences sur la santé, surtout lorsque cette pollution affecte les eaux souterraines. Les possibilités des nano-technologies pour l épuration des eaux et l assainissement des sols sont développées ci-dessous. Les nano-technologies et l épuration des eaux L épuration de l eau et la production d eau potable sont parmi les plus grandes priorités au niveau mondial. De l énorme quantité d eau présente sur terre, à peine 1% est potable. L eau de mer, contenant trop de sel, représente 97% de l eau. Les techniques habituelles de production d eau potable sont la sédimentation, la filtration-sable, et le charbon actif. Ces techniques ne permettent pas d éliminer des micropolluants comme des pesticides, des médicaments ou des acides humiques, et encore moins de dessaler l eau. La filtration à l échelle nano propose des solutions. Pour ce faire on utilise des filtres à membranes présentant des pores de la taille du nanomètre, ou des structures fermées, sans pores, mais permettant à l eau de passer. Dans le premier cas on parle de nano filtration (NF), et on peut arrêter des petites particules dissoutes ou des sels multivalents Dans le deuxième cas on parle d osmose inverse (RO) et on arrive à un dessalement total (donc aussi les sels monovalents). Le paramètre important dans ces deux procédés de filtration est la pression appliquée. Les procédés à nano-membranes NF ou RO ne sont pas nouveaux et sont déjà appliqués à grande échelle dans la production d eau potable et le traitement des eaux usées. S i r r i s p a g e 30/ 79

31 Des tests sur l eau de surface peuvent être réalisés sur site par le VITO à l aide de membranes à osmose inverse Mais il est maintenant évident que les nouvelles nano-technologies peuvent conduire à une nouvelle génération de nano-membranes permettant un flux beaucoup plus élevé, et donc une substantielle diminution d énergie nécessaire (pressions moins importantes). Cela peut aussi conduire à une spectaculaire diminution du coût de l eau potable, ce coût élevé étant actuellement le désavantage majeur s opposant à l expansion des technologies de dessalement RO actuelles. Les membranes sont aujourd hui réalisées avec des nanotubes d alumine ou de carbone (voir notre numéro de janvier). Grâce à un empilement serré de ces nanotubes en parallèle, ces membranes ont une surface utile très grande et une très grande perméabilité, combinées à une très grande stabilité thermique et mécanique. Les membranes à nanotubes d alumine ont aussi l avantage d être très chargées positivement, et donc de retenir les particules chargées négativement comme par exemple les virus et les bactéries. On attend ces membranes sur le marché d ici 10 ans. On construit à Ashkelon, en Israël, la plus grande installation au monde destinée à la désalination de l eau de mer par osmose inverse. S i r r i s p a g e 31/ 79

32 Les nano-technologies et l assainissement des sols Une des manières les plus prometteuses pour l épuration des eaux d écoulement est l utilisation de barrières perméables de fer zéro valent. Le système consiste en une paroi recouverte de grains de fer zéro-valent, placée en aval et verticalement par rapport au flux contaminé. Lorsque l eau polluée rencontre cette membrane, le fer est oxydé et des électrons transférés vers les contaminants qui subissent ainsi une réduction, deviennent moins toxiques et moins mobiles. Beaucoup de polluants organiques, ainsi que les solvants chlorés et les métaux lourds, peuvent ainsi être éliminés des eaux d écoulement. Le système est peu coûteux en énergie et en entretien, et évite des opérations de pompage et de déblayement. Le VITO peut réaliser des tests à l échelle pilote sur une plaque de fer à la valence zéro. Aujourd hui on utilise des grains de fer à l échelle du millimètre ou du micron. Les particules nanométriques offrent l avantage de pouvoir être injectées et donc plus facilement installées dans le sol, à des profondeurs plus grandes. Pour la construction d une membrane traditionnelle, faite avec des particules plus grosses, on est limité, de par les techniques de mise en œuvre, à des profondeurs de 15 m. De plus, les nanoparticules ont une plus grande surface spécifique, et sont donc plus réactives. Non seulement la réduction de polluants est plus rapide, mais une gamme plus importante de polluants peut ainsi être traitée (traitement des composés chlorés aliphatiques mais aussi aromatiques.) Schéma représentant les barrières perméables de fer zéro-valent S i r r i s p a g e 32/ 79

33 Tout cela offre de nouvelles perspectives pour l assainissement, grâce à une amélioration du rendement et à une diminution des coûts. Cela a contribué à une évolution rapide des techniques, depuis les essais de laboratoire jusqu à des installations pilotes. Maintenant des applications à grande échelle sont envisagées. Les nanotechnologies sont-elles aussi une menace pour la santé et l environnement? Le grand potentiel des nano-technologies est aussi assorti de nouvelles questions. Les propriétés uniques des nanoparticules conduisent à de nouvelles possibilités, mais ces mêmes propriétés conduisent également à des risques pour la santé et l environnement si les nanoparticules ne sont pas correctement encapsulées ou isolées. Les nanoparticules ont une surface spécifique particulièrement élevée et particulièrement réactive. Ainsi beaucoup d études ont montré le lien entre l inflammation des voies respiratoires et les particules de poussières présentes dans l air. Le rôle spécifique des nanoparticules dans ce processus, à côté de celui des métaux et des endotoxines, n est pas encore très clair. De même les effets sur le système cardiovasculaire ne sont pas entièrement connus. Nos connaissances dans ce domaine sont pour le moment très insuffisantes. Pour combler ces lacunes, de nouvelles recherches sont menées dans le monde entier, stimulées par l industrie. Il est important non seulement d étudier les nanoparticules en tant que telles, mais aussi de maîtriser leur cycle de vie, de manière à étudier les risques environnementaux de tous les aspects des nano-technologies. S i r r i s p a g e 33/ 79

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35 Les nanotechnologies dans la production d énergie durable Mars 2007 F. Snijkers VITO Les informations récentes vont toujours dans le même sens : d une part les besoins en énergie n ont jamais été aussi importants, et d autre part tout le monde est de plus en plus conscient que les modes de consommation d énergie actuels ne pourront plus durer bien longtemps. Mais quel peuvent bien être les rapports entre les nanotechnologies, les besoins croissants en énergie et les méthodes de production et d utilisation de cette énergie? Avec les nano-technologies nous entrons dans une ère palpitante où il devient techniquement possible de développer des matériaux à l échelle nanométrique. Il s agit de structures qui ont au moins une dimension inférieure à cent nanomètres. Ces structures dont les dimensions sont à peine celles de quelques atomes ou molécules auront, pense-t-on, des propriétés supérieures, et permettront des réalisations inédites. On se rend compte de plus en plus que les sciences et les technologies «nanos» vont avoir un impact sur la chaîne de production de l énergie : la production, la transformation, le transport et l utilisation de l énergie. La tendance est d abandonner les sources d énergie qui consomment les ressources naturelles et posent de plus des problèmes environnementaux, au profit de sources d énergie moins consommatrices et qui paraissent plus durables. Dans ce contexte, les nano-technologies offrent des possibilités : la préservation des ressources naturelles grâce à l amélioration des sources d énergie renouvelables, la transformation de l énergie solaire en électricité grâce aux cellules solaires, le stockage de l énergie dans des batteries performantes, la fabrication d hydrogène, les piles à combustible, jusqu à l utilisation de matériaux plus disponibles (comme les oxydes métalliques nano-structurés comme alternative aux métaux rares pour la catalyse). Certains scénarii futuristes prédisent qu une très grosse partie de la demande énergétique mondiale sera couverte par des sources durables comme le soleil, le vent et la biomasse. Pour assurer une quantité d énergie durable aussi élevée que possible, les technologies doivent encore être développées. Les exemples suivant illustrent le rôle non négligeable que joueront les nano-technologies dans ce contexte. Description schématique de la séparation de l eau en hydrogène et oxygène sous l action de la lumière solaire dans un milieu de nano-tubes de TiO2 S i r r i s p a g e 35/ 79

36 Des cellules solaires nano-structurées pour la transformation de l énergie solaire en électricité De même que la photosynthèse permet aux plantes de transformer la lumière du soleil en une autre forme d énergie, les cellules solaires (ou cellules photovoltaïques) transforment l énergie solaire en électricité. Les cellules solaires peuvent révolutionner la production d électricité. Une évolution indéniable dans le développement des cellules solaires est de faire passer les couches de silicium de 300 microns utilisées actuellement, via des couches de 100 microns, puis de 20 microns, vers des couches organiques aux dimensions nanométriques. Pour la construction de ces cellules appelées cellules de Graetzel, les chercheurs utilisent des nanoparticules organiques, ou une combinaison de particules organiques et inorganiques, appelées cellules hybrides. Illustration d un nano-catalyseur: des nano-cellules métalliques dans des nano-pores Le cœur de la cellule solaire est constitué d un matériau composite, formant un mince film entre deux électrodes. Ce matériau composite, grâce aux nanoparticules qu il contient, fonctionne comme un récepteur de photons, et les convertit en charges électriques. Pour le moment, différents concepts de cellules solaires sont examinés en laboratoire, par exemple des cellules qui peuvent être déposées comme une couche de peinture sur le toit des voitures, des autobus ou même des maisons. Dans ce cas, les chercheurs n utilisent plus de silicium, mais par exemple une couche de sulfure cuivre-indium déposée entre les couches d oxyde de titane. La recherche menée sur les nano-particules et leur utilisation dans les procédés de production bon marché doit permettre d augmenter l efficacité de ces cellules jusqu à un niveau suffisamment élevé. Le coût de l électricité ainsi générée, exprimé en Euros/Watt, diminuera ainsi de manière telle qu elle sera accessible au consommateur. S i r r i s p a g e 36/ 79

37 Un stockage d énergie plus efficace grâce à l utilisation de matériaux nano-structurés dans les batteries L organisation intelligente des matériaux à l échelle nanométrique peut aussi conduire à des améliorations dans le domaine du stockage de l énergie à l aide de batteries. Le paramètre clé pour les batteries est la densité d énergie. Elle est exprimée en watt-heures /kg, et la tendance est d évoluer vers des densités de plus en plus élevées. D où le projet de travailler sur les électrolytes et les électrodes, et de les pourvoir de matériaux nano-structurés pour améliorer les capacités de stockage des batteries. Cela permet de fabriquer des batteries plus petites et plus légères sans perte de puissance, de manière à les rendre de plus en plus concurrentielles dans le domaine du transport, par exemple. Les chercheurs travaillent notamment sur des batteries basées sur des nanotubes de carbone. On s attend à ce que la grande surface spécifique de ces nano-matériaux permette un rechargement presque instantané. N oubliez pas vos piles à combustible... La pile à combustible peut être vue comme une batterie inépuisable, qui grâce à une réaction contrôlée, fournit du courant électrique aussi longtemps qu elle est alimentée en combustible. Les piles à combustible peuvent être introduites dans des applications automobiles (en remplacement des actuels moteurs à combustion), dans des applications portables à faible puissance comme des téléphones ou ordinateurs portables, mais aussi dans des applications immobiles à forte puissance, depuis les groupes électrogènes jusqu à des centrales électriques. L importance des piles à combustible alimentées à l hydrogène ne doit pas être sous-estimée : elles constituent un excellent transformateur d énergie potentiel, sans dégagement toxique. Le développement de piles à combustibles de plus en plus performantes et de moins en moins chères, peut se faire via le développement de catalyseurs adaptés pour l anode et la cathode, et de membranes efficaces. Les membranes nanostructurées devront d une part permettre des flux élevés de charges, et d autre part empêcher le passage du combustible lui-même. En ce qui concerne les électrodes, la diminution de leurs dimensions implique une augmentation de leur surface par rapport au volume. Dans les électrodes des piles à combustible, on constate une augmentation de la densité de sites actifs d échanges entre le gaz, le liquide et la phase solide. Le combustible auquel on pense le plus pour les piles à combustible, est l hydrogène. L hydrogène ne se trouve pas sur terre à l état naturel en tant que combustible, on peut le produire pour stocker l énergie, par exemple l énergie solaire. Un des défis est le stockage sans risque de l hydrogène, qui constitue une étape importante à franchir vers l utilisation rentable de l hydrogène. L objectif est de diminuer la fréquence et d augmenter la rapidité de remplissage des réservoirs. Pour augmenter la densité d énergie, le stockage de l hydrogène liquide dans un matériau micro-poreux, comme de l eau qui serait absorbée par une éponge, est une des options les plus prometteuses. Dans ce cas, il importe de disposer d une grande surface spécifique, et de nouveau, on peut penser aux nano-tubes de carbone. Hélas, on travaille ici à très basse température, pour éviter les fuites d hydrogène. Les hybrides métalliques nano-structurés comme le Mg2NiH2 et le LaNi5H6, semblent des candidats très prometteurs pour ces applications. S i r r i s p a g e 37/ 79

38 Transporter l énergie de manière plus efficace grâce aux nano-catalyseurs Grâce aux nano-technologies il est en principe possible de réaliser la conversion d énergie vers une autre forme d énergie. Pour transporter de grandes quantités de gaz naturel, on le liquéfie. Dans l avenir, on espère le transformer en plusieurs étapes en kérosène, diesel ou autres carburants liquides, qui auront par ailleurs l avantage d être des carburants propres, sans émission de fumées ou de dioxyde de soufre. S i r r i s p a g e 38/ 79

39 Photovoltech Fondée en décembre 2001 avec un investissement initial d environ 14 millions d Euros, Photovoltech est soutenu par 3 importants actionnaires : Total (47.8%), Suez-Electrabel-Soltech (47.8%) et IMEC (4.4%). Total et Electrabel sont déjà actifs dans le domaine des cellules solaires via leurs filiales respectives, Tenesol et Soltech. En utilisant le parc machines high-tech et les technologies de cellules solaires développées au Centre Universitaire de Micro-Electronique (IMEC), Photovoltech a commencé la production de cellules solaire en silicium poly-cristallin en novembre En tant que spin-off de l IMEC, Photovoltech dispose d une large gamme de technologies innovantes. Un procédé de production dédié à la dépose de textures donne naissance à des cellules (MAXIS) qui combinent uniformité et rendement (16% et plus). Le produit de pointe dans le domaine des cellules est la MAXIS +, où le procédé de métallisation permet de connecter les électrodes à travers la cellule. De cette manière on espère faire passer le rendement des cellules industrielles de 15-16% à 20%. Mais cela ne s arrête pas nécessairement là pour les cellules en silicium cristallin. On réfléchit aujourd hui à de nouveaux concepts qui permettraient à ces cellules de dépasser des rendements de 25%. Selon toute vraisemblance les nano-technologies joueront ici encore un rôle prépondérant. Des points de silicium et des particules nanométriques seront sans doute les éléments qui permettront de franchir ce pas supplémentaire. L idée-choc : des nano-technologies pour produire des gigawatts. Suite à la croissance continue et durable du marché des cellules solaires et à la forte demande pour ces produits, Photovoltech a décidé d augmenter sa capacité de production de 13 MWp à 80MWp par an. Cette extension est déjà en cours, les prochaines étapes sont une extension à MWp mi-2007, et une autre extension jusqu à 82-85MWp pour la fin de l année. La collaboration entre IMEC et Photovoltech a été renforcée en 2006 et couvre plusieurs projets : le développement de technologies de cellules solaires pour fines couches de silicium cristallin (<150 µm), le développement de cellules solaires en silicium cristallin que l on peut entièrement connecter sur leur face postérieure, et de nouvelles couches de passivation. S i r r i s p a g e 39/ 79

40 La fabrication directe d hydrogène à partir de la lumière du soleil, ou photolyse Des chercheurs ont découvert que les nano-tubes de dioxyde de titane, fabriqués à partir de films de dioxyde de titane dans des bains électrolytiques appropriés, peuvent réaliser la séparation de l eau en hydrogène et oxygène sous l effet de rayons UV. Ceci est dû au fait que les photons UV sont emprisonnés dans les pores des nano-tubes et que la surface disponible pour la séparation de l eau, est suffisamment importante. L optimisation de la géométrie des nano-tubes permettra également d améliorer le rendement : aujourd hui, environ 7% au mieux de l énergie lumineuse est transformée en énergie chimique. Les nano-technologies parviendront-elles à réconcilier l environnement et l énergie? L augmentation sans cesse croissante de l utilisation d énergie et de son prix incite à trouver des énergies alternatives moins coûteuses. Il est nécessaire de trouver des moyens économiques de transformation de l énergie, comme la transformation de l énergie solaire en énergie électrique avec un rendement suffisant. Le prix actuel des installations de conversion d énergie solaire, fait que les combustibles fossiles sont encore compétitifs. D autre part il est possible aujourd hui de faire rouler une voiture avec de l hydrogène, des cellules solaires ou de batteries rechargeables. Cependant, il reste un fossé important entre l état de la science et des techniques d une part, et une solution économiquement rentable de l autre. Les développements en cours laissent présager que la production décentralisée d énergie, à l endroit où elle est nécessaire, est promise à un bel avenir. La décentralisation de la production d énergie, en permettant à chaque utilisateur d être producteur, rendra tout transport et donc toute infrastructure de transport superflus. Dans cette optique, les nano-technologies ont beaucoup à offrir, et on peut s attendre à ce qu elles aient un apport décisif là aussi. S i r r i s p a g e 40/ 79

41 Des nanos pour construire Avril 2007 F. Monfort-Windels Sirris La construction est un secteur à visage multiple, très fragmenté. Il est considéré comme peu orienté vers la recherche et se caractérise généralement par des comportements très conservateurs. Le coût actuel des nanotechnologies, leur caractère fondamentalement high tech et le peu d'applications pratiques déjà disponibles ne facilitent pas l'ouverture vers les changements qui se profilent. Mais via les connaissances acquises dans les nanomatériaux, la construction bénéficiera des avancées réalisées dans d'autres secteurs comme l'aéronautique, l'automobile ou l'électronique : des innovations à haut impact sont prévues dans les 5 ans. Ce premier article présente quelques exemples d'avancées dans les matériaux de structure : béton, acier, verre Un second texte décrira comment le "nano" est déjà présent, à travers des produits commerciaux, dans l'équipement de la maison : matériaux isolants, éclairages performants, coatings intelligents Nanotechnologie et béton Le béton reste le matériau de base de la construction : chaque année, on produit 1 m³ de béton par habitant dans le monde! Plusieurs équipes de recherche se sont attelées à comprendre les propriétés du béton à l'échelle de l'infiniment petit : l'engineering à nanoéchelle de sa structure complexe devrait déboucher sur la création de nouveaux macro-matériaux, plus résistants et durables. Ainsi, l'institut canadien IRC-CNRC démontre que l'addition de nanoparticules au béton peut conduire à une régulation de sa porosité. Le renforcement des bétons par des nanotubes de carbone, dont les diamètres sont du même ordre de grandeur que les couches structurelles du ciment hydraté, améliore la résistance du matériau en flexion et en compression en empêchant les fissures de s'étendre. Nanocouches d'aluminates de calcium dans le béton - Conseil national de recherches du Canada S i r r i s p a g e 41/ 79

42 Des chercheurs du MIT ont mis en évidence le fait que tous les ciments possédaient une nanostructure identique, définie par les nanoparticules (5 nm) du liant silicate hydraté (C-S-H) et que la résistance et la durabilité du matériau était fonction de l'organisation de ces nanoparticules, plus que de la nature des composants. Ceci ouvre la porte à l'élaboration de ciments moins énergivores à base de matériaux alternatifs. La silice, lorsqu'elle est utilisée à l'échelle nano (5-50 nm) dans les bétons autocompactants, améliore leur maniabilité et leur durabilité. Les mécanismes sont multiples : ces composants nanodispersés réduisent la viscosité des mélanges et favorisent le maintien en suspension des agrégats. Ils remplissent les porosités entre les particules minérales et immobilisent l'eau "libre"; ils favorisent la cristallisation des hydrates et accélèrent l'hydratation. Les propriétés photocatalytiques du dioxyde de titane sont mises à profit dans les bétons dits autonettoyants. Les UV déclenchent une photocatalyse qui génère de l'oxygène réactif. Les substances polluantes déposées à la surface des façades sont décomposées et lessivées. Les constructions conservent ainsi toutes leurs qualités esthétiques au cours du temps. Les additifs et adjuvants font eux aussi l'objet d'études pour les "nanoajuster" à de nouveaux besoins. Ainsi, par exemple, de nouveaux superplastifiants à base de polycarboxylates sont utilisés pour augmenter la résistance des bétons autocompactés frais, ce qui réduit l'énergie et le temps nécessaires à leur mise en œuvre. Nanotechnologie et acier L'acier de construction bénéficie de nombreuses améliorations induites dans d'autres secteurs utilisateurs comme l'automobile. Ainsi, des recherches sur la maîtrise à nanoéchelle de sa phase cémentite ont abouti à des câbles très résistants pour les pneus, mais aussi pour les ponts suspendus. Des nanoparticules de vanadium et de molybdène ajoutées aux aciers pour les boulons à haute résistance des ouvrages d'art permettent d'éviter la fragilisation due à la présence d'hydrogène aux joints de grains. Réduire la fragilité des soudures et des zones adjacentes est un enjeu important, surtout dans les constructions soumises à la fatigue, ou situées dans des régions sismiques. L'addition de nanoparticules de magnésium ou de calcium permettrait d'obtenir des grains cinq fois plus fins dans la zone sensible et des soudures beaucoup plus résistantes. Deux nouveaux aciers nanostructurés font leur apparition sur le marché de la construction. Sandvick propose un matériau à la fois très résistant et ductile, formable et résistant à la corrosion, le Nanoflex, qui contient des nanoparticules dures. Il est déjà utilisé dans des applications de niche mais son marché s'élargit. MMFX Steel Corp. propose des ronds à béton rendus résistants à la corrosion grâce à une modification de leur nanostructure : c'est une alternative moins coûteuse à l'inox. S i r r i s p a g e 42/ 79

43 Nanotechnologie et bois La firme australienne Nanotec Pty a développé un produit de traitement du bois superhydrophobe contenant des nanoparticules. Celles-ci s'auto-assemblent sur la surface en une monocouche de 25 nm qui empêche les salissures de se déposer. La combinaison avec le caractère fortement hydrophobe de la surface assure un effet Lotus : l'eau roule sans pénétrer dans le bois et entraîne les saletés. D'autre part, en contrôlant la pénétration de l'eau, le traitement augmente la durée de vie du matériau. Traitement Nanoseal Wood-Nanotec Les traitements de protection insecticides ou fongicides sont soit toxiques pour l'environnement soit moins efficaces. Phibro-Tech a développé un traitement qui consiste à injecter sous pression les agents de protection sous la forme de nanoparticules ou de nanocapsules polymères. Les particules sont suffisamment petites pour pénétrer les structures fines du matériau, ce qui permet d'atteindre une bonne efficacité avec de faibles quantités de produits et d'utiliser au mieux les additifs les moins nocifs. Plus étonnant : il est apparu depuis peu que les fibres de bois étaient composées de nanofibrilles de cellulose (diamètre nm de diamètre). Leur résistance ne représente qu'un quart de celle des nanotubes de carbone, mais elles sont beaucoup moins coûteuses, et d'origine naturelle. Un cluster de firmes et d'universités finlandaises travaille sur la possibilité de reconstituer des matériaux à partir de ces nanofibres. Nanotechnologie et verre Les verres auto-nettoyants Pilkington Activ ou Saint-Gobain Bioclean sont recouverts d'une couche transparente de 50 nm, déposée lors de la fabrication du matériau et donc très durable : ils combinent un effet photocatalytique et un effet hydrophile. Des particules de dioxyde de titane, sous l'effet des UV, décomposent les polluants et les décollent de la surface tandis que l'eau de pluie ou de lavage forme un film qui élimine les salissures. Pilkington Activ en façade d un hôtel JPDUPLAN S i r r i s p a g e 43/ 79

44 Le vitrage devient aussi résistant au feu grâce à l'insertion d'une couche transparente intumescente à base de nanoparticules de silice entre deux panneaux de verre. C'est le cas, par exemple, du produit Interflam de Interver Special Glass. L'avantage de la technique "nano" est de préserver les propriétés optiques du vitrage. La gestion des échanges thermiques à travers la surface sans cesse croissante des baies vitrées dans le bâtiment est un enjeu majeur en termes de confort, mais aussi de réduction des dépenses énergétiques. Des solutions passives consistent, par exemple, à déposer sur le verre des couches d'argent ultraminces transparentes qui réfléchissent les infra-rouges. D'autres solutions proposent des matériaux actifs dont les propriétés optiques peuvent être modulées. Leur mise en œuvre se base sur des couches ultra-minces ou sur des nanoparticules. les vitrages thermochromes réagissent à la température en offrant une isolation thermique contre l'échauffement tout en maintenant un éclairage adéquat. les vitrages photochromiques modifient leur absorption optique en fonction de l'intensité lumineuse. Les agents actifs sont le plus souvent des nanocristallites de chlorure d'argent ou des inclusions nanométriques de colorant dans une matrice polymère. les vitrages électrochromiques modifient leur transparence lorsqu'une tension y est appliquée. Sont déjà sur le marché des produits allemands (Flabeg ou Interpane) et américains (Sage Electrochromic). Les recherches sur les vitrages actifs se poursuivent, notamment dans la voie nano, pour pallier deux problèmes encore non résolus : la durabilité insuffisante ou incertaine et la complexité et le coût de fabrication. Nanotechnologie et plastiques De très nombreux travaux évaluent les possibilités offertes par les nanoparticules dans les plastiques et les composites. Dans la construction, une des perspectives intéressantes concerne les profilés et panneaux thermoplastiques chargés de nano-argiles (nanoclays). Ces nanoparticules ont un effet positif sur les caractéristiques mécaniques du matériau. Mais il est bien connu maintenant qu'ils peuvent réduire de manière importante son degré de flammabilité, même avec des taux d'addition faible (2-5 %). Résistance au feu des polymères contenant des nanoclays Nanocor S i r r i s p a g e 44/ 79

45 L'enjeu est d'autant plus important que les codes et normes sur la combustibilité des matériaux utilisés dans les systèmes de construction sont de plus en plus exigeants et que la gamme des composés admis pour ignifuger les plastiques se restreint (bannissement des halogénés). Nanotechnologie et surveillance des structures Grâce aux microsystèmes d'abord, aux nanosystèmes plus tard (MEMS ou NEMS Micro or Nano ElectoMechanical Systems), la construction pourra de plus en plus s'auto-contrôler et se gérer. Certains envisagent déjà la possibilité d'appliquer des nanocapteurs par pulvérisation ou peinture sur une surface ("smart-dust"), pour contrôler à grande échelle, via un réseau intelligent, l'état de contrainte d'une structure ou la température, la lumière et la qualité de l'air dans un bâtiment. Le passage au nano modifiera le rapport de la construction à son environnement et de la simple surveillance, on passera à une maîtrise active de celui-ci. S i r r i s p a g e 45/ 79

46 Construction, "nano" et brevets Une petite étude des brevets "nano" dans la construction permet de mesurer l'activité inventive du secteur. La construction se caractérise par des comportements assez conservateurs et est encore peu ouverte aux nanotechnologies. Seulement 0.42 % de la totalité des brevets et demandes publiés dans le domaine "nano" concerne ce secteur. On trouve cependant des avancées dans tous les domaines : génie civil, gros œuvre, toiture, menuiserie, parachèvement et équipement. Cette dernière classe, qui regroupe le sanitaire, le chauffage, l'éclairage et l'air conditionné, ne représente que 21% des brevets et demandes de brevets publiés, mais 47% des dépôts "nano" du secteur de la construction. Plusieurs exemples de produits seront décrits dans un prochain article. Répartition des brevets et demandes de brevets relatifs à la nanotechnologie publiés dans les différents domaines du secteur de la construction 12% 16% 4% Génie Civil 9% 12% Gros œuvre Equipement Toiture Menuiserie Parachèvement 47% D. Goffinet CSTC-WTCB S i r r i s p a g e 46/ 79

47 24 heures dans la vie d'un accro aux nanos Mai 2007 F. Monfort-Windels Sirris Dans la chambre Tom s'étire dans son lit. Il fait bon dans la chambre. Tom a en effet fait poser depuis peu des vitrages en polycarbonate remplis d'un aérogel translucide (Nanogel de Cabot). Composé à plus de 97% d'air, l'aérogel à base de silice (2-5 nm) possède d'excellentes propriétés d'isolation thermique. Avec une densité de 90 kg/m³, il ne pèse que 90 g/litre. Les panneaux (Thermoclear de GE) multiplient l'efficacité de l isolation thermique par un facteur 2 à 4 et améliorent la diffusion de la lumière. Ils empêchent la condensation et réduisent le bruit. Des panneaux isolants remplis d aérogel Cabot Corp Ce n'est pas la seule mesure que Tom a prise pour augmenter l'isolation de sa maison. Il a, par exemple, enduit ses murs d'un coating aqueux (Industrial Nanotech) à base d'un matériau appelé Hydro-NM-Oxide. Sa structure nanométrique le rend très isolant. La façade reste d'ailleurs propre grâce à l'application d'une peinture avec des nanocharges qui lui confèrent un effet Lotus (Lotusan). S i r r i s p a g e 47/ 79

48 Tom range sa lampe de poche à diodes électroluminescentes (LED) dans un tiroir. Il espère que bientôt tout l'éclairage de sa maison sera basé sur des LED parce qu'elles ont un bien meilleur rendement que les lampes à incandescence. Cette évolution ne sera possible cependant que lorsque de vraies LED blanches seront disponibles, qui dégagent une lumière chaude et régulière, avec une durée de vie satisfaisante et un prix acceptable. Les progrès viendront des nanotechnologies, et plus particulièrement des quantum dots, ces nanocristaux semi-conducteurs qui pourraient constituer les couches émettrices des LED. Parce qu'il a devant lui une longue journée d'activités, Tom prépare ses vêtements les plus fonctionnels : sa chemise et son pantalon anti-tâches GAP (technologie NanoTex) et ses chaussettes de sport SoleFresh à base de nano-argent qui freine la multiplication des bactéries et le dégagement d'odeurs. Il asperge aussi ses chaussures avec un spray Deichmann à base de nanoparticules pour les protéger de l'humidité et de la poussière. Avant de quitter la chambre, Tom dépose ses clés dans le sac de sa femme. Elle les trouvera facilement parce que le sac (Bree) s'illumine lorsqu'on l'ouvre : il contient un film électroluminescent à base de couches ultra-minces développé par Bayer et Lumitec. Dans la salle de bain Après avoir pris une douche, Tom se rase. Sans problème, parce que le miroir de la salle de bain est recouvert d'un revêtement transparent à base de nanotubes de carbone qui permet de le chauffer uniformément et d'éviter ainsi la condensation et la buée (Fraunhofer TEG). Une petite coupure? Un pansement Hansaplat Silver réduira le risque d'infection grâce aux nanoparticules d'argent qui y sont contenues. Il se brosse les dents ensuite avec un dentifrice contenant des nanoparticules de phosphate de calcium et des protéines (Theramed S.O.S Sensitiv). Ce produit colmate de manière invisible les minuscules fissures de l'émail et supprime la sensibilité des dents à la chaleur et au froid. Des produits solaires avec des nanoparticules de zinc ou de titane S i r r i s p a g e 48/ 79

49 Tom espère bronzer en faisant du sport cet après-midi. Il hésite entre plusieurs crèmes solaires : l'une contient des nanoparticules de dioxyde de titane (Clarins Sun Care Cream), l'autre des nano-oxydes de zinc (Olay Procter & Gamble). Toutes deux offrent une protection à long terme tout en évitant les traces blanchâtres des produits classiques. Pas facile de retrouver ces flacons parmi le fouillis de produits de soin et de beauté contenus dans l'armoire : l'industrie du cosmétique s'est depuis longtemps intéressée aux "nanos", en particulier pour leur facilité de pénétration dans la peau et pour la meilleure disponibilité des principes actifs : soin revitalisant Revitalift de L'Oréal, réparateur anti-âge Clinic, crème Hydra Zen de Lancôme, anti-cernes Revlon, Petit passage aux toilettes : l'intérieur de la cuvette (NeoRest Toto) est recouvert d'une couche ultra-lisse de nanocéramique. La rugosité est inférieure à 30 nm et les microfissures sont éliminées : les salissures et bactéries ne peuvent plus s'accrocher et les toilettes restent impeccables. Dans la cuisine Dans la cuisine, l'évier est propre : l'inox a été traité avec un film transparent antisalissures à base de nano-oxydes de zirconium (SOC). Tom se prépare son repas dans des casseroles en aluminium recouvert d'un nanocomposite ultradur qui contient du diamant qui le rend très résistant à l'abrasion, non-adhérent et très conducteur (Swiss Diamond). Un revêtement ultradur de nanodiamants Swiss Diamond Int. Il ne sait pas très bien ce qu'il mange, mais il sait que le secteur agroalimentaire travaille activement dans les nanotechnologies pour obtenir de nouvelles textures ou pour encapsuler des composants (Nutralease). Colorants, arômes, vitamines sont déjà nano-encapsulés pour être mélangés aux boissons : les ingrédients se dissolvent mieux dans le milieu et l'organisme les assimile plus rapidement. Dans la buanderie Tom met une lessive en marche dans son lave-linge Silver Nano (Samsung). La machine génère des ions Ag+ par électrolyse lors du lavage du linge. Ces ions pénètrent le textile, inhibent la croissance des germes et tuent très rapidement les bactéries pathogènes, quelle que soit la température de lavage. S i r r i s p a g e 49/ 79

50 Un lave-linge basé sur les propriétés biocides de l argent Samsung Pendant que la machine tourne, il repasse rapidement quelques vêtements. La semelle de son fer à repasser Rowenta est recouverte d'une couche transparente anti-adhérente et résistante à la griffe constituée de nanoparticules de silice (10 nm) dans une matrice d'émail vitrifié (Technologie sol-gel EPG). Tom passe ensuite un peu de temps à nettoyer les vitres. Son produit Sidolin NanoProtect (Henkel) contient des nanoparticules de silice qui forment une couche hydrophile sur la vitre : l'eau filme mais ne perle pas : elle s'écoule sans laisser de traces. Dans le garage Il est temps maintenant de se détendre. Tom enfourche son vélo Easton, identique à celui de l'équipe Astana. Le cadre de cet engin pèse moins de 1kg. Il est moulé entièrement en composite renforcé de nanotubes de carbone. Seul le filetage du boîtier de pédalier est en métal. Un vélo renforcé de nanotubes de carbone BMC Trading S i r r i s p a g e 50/ 79

51 Il emporte son équipement de tennis : sa raquette Wilson renforcée de nanotubes de carbone, mais aussi ses balles Double Core. Leur revêtement interne est un latex butyl dans lequel sont suspendues des nanoparticules d'argile qui diminue la perméabilité à l'air des balles. Elles conservent leur pression interne deux fois plus longtemps. Dans le salon Fatigué par l'exercice, Tom rentre à la maison, s'assied dans le salon et s'emballe dans un plaid Greenyarn. Ce textile contient des nanoparticules de charbon de bois obtenu à partir de bambous. Il est antibactérien, antifongique et antistatique. Tom écoute de la musique sur le MP3 Nano IPod de son fils. Il n'est pas dupe du nom : le lecteur n'a rien de plus "nano" que beaucoup d'autres dispositifs électroniques, mais il sait que pour arriver à une telle miniaturisation associée à de telles performances, les producteurs doivent maîtriser des processus de production liés aux nanotechnologies, notamment pour la fabrication des mémoires flash (technologie 60 nm). Des équipements électroniques avec des mémoires flash sur base de technologies nano Il s'interrompt un moment pour appeler un ami sur son GSM Motorola dont l'affichage est un écran à émission de champ à base de nanotubes de carbone. Il donne un excellent rendu des couleurs, un grand angle de vue et un temps de réponse rapide. Son ami, médecin, lui apprend que des essais cliniques sont en cours pour tester de nouvelles thérapies contre le cancer de la prostate. Les nouveaux facteurs de délivrance sont des nanoparticules qui encapsulent le médicament et le libèrent selon un schéma prédéterminé et régulier. Elles sont aussi associées à des substances qui peuvent cibler les cellules cancéreuses avec une grande spécificité. En Allemagne, on teste des nanoparticules d'oxyde de fer qui sont magnétisables de l'extérieur du corps : sous l'effet du champ appliqué, elles produisent de la chaleur qui détruit les cellules voisines. S i r r i s p a g e 51/ 79

52 Tom termine sa journée en buvant une bière fraîche dans une bouteille plastique. Le PET multicouche contient un nanocomposite Imperm, mélange de nano-argile et de nylon. Les particules sous forme de plaquettes sont distribuées en couches parallèles qui forcent les gaz à s'écouler selon un chemin tortueux. La bouteille possède ainsi d'extraordinaires propriétés de barrière au CO2 et à l'o2 et la bière garde toutes ses qualités pendant de nombreux mois. De retour dans la chambre Tom s'endort doucement en rêvant aux quantités d'innovations en préparation dans les laboratoires, centres de recherche et entreprises et qui révolutionneront sa vie demain ou après-demain. S i r r i s p a g e 52/ 79

53 Les nanotechnologies dans le secteur bio-médical Juin 2007 D. Maes IMEC Les nanotechnologies commencent à influencer notre vie quotidienne. Nous retrouvons des produits basés sur les nanotechnologies dans notre cuisine, notre voiture ou notre habillement. Les effets de ces nouvelles technologies se feront également ressentir très bientôt dans le domaine des soins de santé. La combinaison des nanotechnologies avec la biologie ouvre en effet de nouveaux horizons. Dans ce nouveau numéro de notre série consacrée aux nanotechnologies, nous faisons la lumière sur ces applications. Un patient entre dans le cabinet d un médecin. Hormis une couchette et un bureau supportant un PC, la pièce est totalement vide. Le médecin demande au patient de s installer sur la couchette et prend un instrument sur son bureau. Il y introduit la carte SIS de son patient. Ensuite, il prend un plateau stérile muni d une petite pointe. Il presse un doigt du patient sur le plateau. Quelques secondes plus tard, une analyse de sang détaillée apparaît sur l écran du PC. Encore quelques minutes et le médecin établit un diagnostic complet, prescrit des médicaments et souhaite un bon rétablissement à son patient. Science fiction? Pas du tout! Ce n est pas encore l état de la science, mais on est bien loin de la fiction. C est le reflet de technologies qui feront leur entrée dans quelques années dans le secteur des soins de santé. Deux mondes se rencontrent Ce sont les bio-capteurs, en développement dans de nombreux endroits, qui rendront un jour ce scénario possible. Les bio-capteurs réunissent les points forts des bio-technologies, de la chimie et de l électronique: la sélectivité de la nature, la rapidité et la convivialité de la micro-électronique. La partie «bio» des biocapteurs est un système de reconnaissance biologique. Il s agit d une couche de bio-molécules qui se combinent ou réagissent avec les molécules objet. La partie «capteur» des bio-capteurs consiste en un système de traduction électronique qui interprète les réactions de reconnaissance des biomolécules et les traduit en signaux électriques mesurables. Entre les deux parties, une couche de liaison physique est nécessaire. Elle se compose d une seule couche de molécules qui s organisent dans la configuration adéquate. C est ce qu on appelle l auto-assemblage. Cette technique a été rendue possible par les progrès réalisés dans la manipulation des chaînes moléculaires et atomiques, que l on appelle les nanotechnologies bottom-up. L approche micro-électronique est plutôt du type top-down. Ici, des modèles à l échelle nanométrique sont définis par des procédés de lithographie, de manière à fabriquer des circuits électroniques très complexes et intelligents sur de très petites surfaces. Un bio-capteur naît ainsi de la rencontre entre les nanotechnologies bottom-up en biologie et en chimie et les nanotechnologies top-down en micro-électronique. S i r r i s p a g e 53/ 79

54 La combinaison de ces deux mondes n est cependant pas évidente. A côté des défis scientifiques et technologiques, il a fallu également concilier les approches différentes de la biologie et de l électronique, tant dans le langage que dans la manière de raisonner. Par exemple, les électroniciens ont l habitude de travailler sur des structures très ordonnées, là où les biologistes s attachent à l aspect stochastique des systèmes biologiques. Système de bio-capteur La collaboration interdisciplinaire de ces deux mondes constitue don un autre défi. Mais lorsque cette collaboration devient effective, elle ouvre de nombreuses possibilités. Le système de diagnostic rapide décrit ci-dessus, est, pour le moment, en développement dans le cadre du projet Européen smarthealth, regroupant un consortium de centres de recherches, d universités et d hôpitaux. A côté du développement de l appareil lui-même, le projet s attache à l intégration du système dans les soins de santé contemporains. Le but est d utiliser cet appareil intelligent et compact pour déplacer les tests médicaux depuis les laboratoires vers les cabinets médicaux ou les centres de santé en général. Le diagnostic sera accéléré, et donc pris en compte plus vite et plus efficacement, limitant ainsi les complications et les longs séjours à l hôpital. La conséquence sera une économie significative dans le domaine des soins de santé. Mesurer, c est savoir Plusieurs principes différents peuvent être utilisés dans le mécanisme de détection d un bio-capteur. A chaque fois, il s agit de mesurer les mécanismes de liaison des bio-molécules sur les molécules objet, ou les réactions subies par les bio-molécules en présence des molécules objet. Deux principes sont illustrés ci-dessous. Dans un capteur basé sur les techniques SAW ( Surface Acoustic Wave ), les biomolécules sont ancrées via une couche d accrochage sur une couche d or entre deux structures en peigne capables d émettre et de recevoir une onde acoustique via la surface. Les biomolécules peuvent par exemple être des anticorps capables d établir des liaisons spécifiques avec des antigènes spécifiques de la prostate (PSA). Lorsque les antigènes de l échantillon de sang établissent une liaison chimique avec les anticorps du capteur, la masse de la couche d or augmente et la résonance spécifique du capteur varie. Ces variations peuvent être mesurées par le système électronique de traduction sousjacent. Ce capteur permet donc rapidement, à partir d une seule goutte de sang, de détecter une concentration anormale de PSA dans le sang. Lorsque cette concentration dépasse certaines limites, cela constitue une forte présomption d un cancer de la prostate. S i r r i s p a g e 54/ 79

55 Capteur de type SAW Le TPB ( Transmission Plasmon Biosensor ) est basé sur une technique brevetée par le centre de recherche IMEC à Louvain. Le capteur consiste en une plaque de verre sur laquelle sont déposées des billes d or de quelques nanomètres de diamètre. Les biomolécules y sont ancrées, et peuvent être reliées à plusieurs récepteurs. Il s agit de capteurs à transmission parce que la lumière passe d abord à travers la couche transparente de verre pour illuminer les billes d or. L or absorbe la lumière. L amplitude de l absorption varie lorsqu une molécule a effectué la liaison avec le récepteur sur la bille d or. La variation de la constante diélectrique entre l or et le matériau est spécialement importante. C est ce qu on appelle l effet «plasmon», et ce qui explique le deuxième terme désignant le capteur. La première application des TPB est la détection d albumine dans le sang, à des concentrations de nanogrammes par millilitres. Compter les molécules TPB Les bio-capteurs sont actuellement les applications les plus concrètes des nanotechnologies dans le secteur bio-médical. Mais il y en a d autres. Ainsi on travaille beaucoup sur la liaison des cellules nerveuses avec des circuits électroniques pour faire avancer la recherche sur des maladies comme celle d Alzheimer. Une autre application est l administration de médicaments directement à l endroit où ils sont nécessaires. Pour cela, on utilise des nanotubes de carbone comme porteurs des médicaments. Dans le futur, nous apprendrons à connaître les bioordinateurs, qui réaliseront les calculs à partir de molécules d ADN, et les robots biomoléculaires, qui pourront remplacer des cellules endommagées. Tout cela grâce aux nanotechnologies, au croisement entre la biologie et la microélectronique. S i r r i s p a g e 55/ 79

56 Le pancréas artificiel, une application concrète des membranes d it4ip En Europe, plus de 80 millions de personnes souffrent du diabète de type 1. Ce diabète est caractérisé par une sécrétion insuffisante d insuline dans le pancréas. Résultat : un taux de glucose (sucre) dans le sang trop bas, responsable de complications à long terme telles que des maladies coronaires, des problèmes rénaux, une perte de vision, La transplantation d un pancréas est possible mais limitée par le nombre de donneurs et la problématique du risque de rejet à cause d une attaque des cellules immunitaires. Pour résoudre cette difficulté a germé l idée d une transplantation d un "pancréas artificiel" : encapsuler des cellules qui produisent l insuline ("les ilots de Langherans") dans une membrane avancée qui, d une part, arrête ces cellules immunitaires mais, d autre part, laisse toujours passer l insuline et le glucose. L implant d une telle membrane permet de mimer l apport naturel d insuline par l organisme mais également de diminuer le risque de rejet de l implant (parce que les îlots sont protégés d une attaque potentielle des cellules immunitaires). Ce "pancréas artificiel" incorporant les membranes d it4ip ( Ion Track Technology for Innovative Products ) a été testé avec succès sur des animaux de laboratoire. La transposition à l'échelle humaine et les tests cliniques associés devraient intervenir dans les prochains mois. Développées à l Université catholique de Louvain (UCL-POLY) et produits par it4ip, ces membranes de haute technologie ne sont en fait rien d autre que de minces films poreux, c est à dire des couches de polymère ou de métal munis de pores minuscules, à travers lesquels un liquide ou un gaz est filtré afin de réaliser une séparation. S i r r i s p a g e 56/ 79

57 Cette filtration se subdivise, selon la taille des particules séparées ou la technologie utilisée, en plusieurs domaines : dans le cas de l ultrafiltration, des pores de seulement quelques dizaines de nanomètre sont introduits dans des films minces. L utilisation d une telle membrane empêche le passage de toute particule de taille supérieure à 100 nm et permet ainsi une élimination complète des virus, par exemple. Divers procédés permettent la réalisation de membranes poreuses comme la perforation de métaux ou de polymères. La technologie d'it4ip consiste à perforer de minces films polymères : le film est "bombardé" au moyen d'ions (= des atomes chargés) lourds énergétiques. Les liaisons chimiques du polymère sont d'abord "abimées " par ces ions lourds puis, dans un deuxième temps, les zones ainsi fragilisées sont "percées" chimiquement. Les membranes sont en effet ce qu on appelle "track-etched", d où le nom it4ip : «Ion Track Technology for innovative products». Cette technologie progresse constamment et ouvre désormais de nouvelles possibilités exploitables dans le domaine des nanotechnologies. Il est actuellement possible de remplir ces "nano" - pores de métaux ou d autres polymères et de réaliser par ce moyen des nanofils ou des nanotubes. Ces nanostructures seront utiles pour une large variété d applications High-Tech dans les marchés à croissance rapide des nanotechnologies. Cette technologie est unique et brevetée. Plus largement, it4ip fournit à la demande des membranes de haute qualité ; elle développe des prototypes et des produits pilotes en petites séries. Enfin, it4ip fournit aussi du conseil en recherche et développement et participe à des projets de recherche appliquée en partenariat avec ses clients afin de développer applications et marchés dédiés à sa technologie. S i r r i s p a g e 57/ 79

58 S i r r i s p a g e 58/ 79

59 Des micro- aux nanosystèmes Septembre 2007 Ch. Bruynseraede IMEC Imaginez un moteur tellement petit que l œil humain ne peut le distinguer. Imaginez des milliers de ces moteurs connectés sur un seul micro-chip et travaillant ensemble. Imaginez un monde où la pesanteur n a plus d importance, mais où les forces atomiques et les technologies de surfaces dominent. Bienvenue dans un monde aux performances et aux possibilités inépuisables. Bienvenue dans le monde des MEMS et des NEMS. Un PC dans chaque pièce de la maison. Cette boutade de Bill Gates est devenue réalité grâce à la «révolution du silicium» : une miniaturisation continuelle des circuits intégrés (ICs), dans lesquels les micro-chips sont de plus en plus puissants et de moins en moins chers. Aujourd hui nous nous trouvons au cœur d une deuxième révolution, où des fonctions nouvelles, non électroniques, sont intégrées sur les micro-chips. Ces micro-chips sont dès lors capables, non seulement de compter, mais aussi de détecter et de réagir à ce qui se passe dans leur environnement. Ils deviennent des microsystèmes intelligents. De tels systèmes jouent déjà un rôle prédominant dans le secteur des communications et l industrie de l automobile. Dans les prochaines années, ils joueront un rôle croissant dans d autres domaines. Les MEMS (microsystèmes électromécaniques) constituent une branche importante de ces microsystèmes intelligents. Nous expliquons ci-dessous en quoi consistent ces MEMS, et en quoi consisteront, dans un avenir proche, les NEMS (Nano-systèmes électromécaniques). A gauche : Un acarien invisible à l œil nu sur un micro-moteur - Sandia National Laboratories, Au milieu : Un micro-miroir et son mécanisme moteur - Sandia National Laboratories, A droite : Différents stades d enlèvement sélectif de matière par voie chimique en-dessous d un pont micro-mécanique. Dans un premier article nous explorons les technologies fascinantes des MEMS et des NEMS. Un deuxième article illustre à quel point les MEMS ont déjà pénétré le marché et sont présents dans toutes sortes de produits dans tous les secteurs : capteurs pour airbags, micro-miroirs, biocapteurs, imprimantes à jet d encre, S i r r i s p a g e 59/ 79

60 Que sont les MEMS (Microsystèmes Electromécaniques) Les microsystèmes électromécaniques intègrent les technologies IC et la technologie des microsystèmes. Cela permet de combiner des circuits microélectroniques avec des composants micromécaniques. Le résultat se présente sous la forme de micro-chips sur lesquels des composants minuscules peuvent bouger ou vibrer! Les mouvements ou les vibrations de ces éléments micromécaniques par exemple une nano-poutre encastrée des deux côtés- en réponse à un signal externe, permettent de mesurer précisément ce signal. Des convertisseurs de signaux traduisent ces mouvements en signaux électriques sur lesquels la microélectronique peut faire agir sa force de calcul. Cela fonctionne aussi dans l autre sens : la micro-électronique peut contrôler et déclencher certains composants mécaniques sur le micro-chip. Bien qu ils soient plus petits qu un grain de sable, ces MEMS forment des machines complexes, combinant l électronique et d autres technologies dans un système intelligent et miniaturisé. Dans ces systèmes complets, les éléments mécaniques peuvent jouer le rôle de micro-capteurs, micro-actuateurs, micro-hydraulique, micro-robotique, etc. Ils élargissent la puissance de calcul de la micro-électronique à des observations et des contrôles de fonctions. Le cerveau sur le micro-chip est secondé par des «yeux» et des «bras» qui lui permettent de sentir et de contrôler l environnement. Commutateur MEMS-RF : la position du micro-pont peut être modifiée par un phénomène électrostatique pour empêcher le passage d un signal radio-fréquence. Les micro-capteurs saisissent l information de l environnement en mesurant des phénomènes thermiques, biologiques, chimiques, optiques et magnétiques. L électronique travaille cette information et contrôle des micro-actuateurs de manière à réagir à l environnement au moyen de mouvements, de positionnements, de pompages, de filtrages, S i r r i s p a g e 60/ 79

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