Un nanomatériau est un matériau (sous forme de poudre, aérosol ou quasi-gaz, suspension liquide, gel) possédant des propriétés particulières à cause de sa taille et structure nanométrique. Les nanomatériaux sont habituellement issus de la nanotechnologie, à la différence des nanoparticules qui peuvent être d'origine naturelle ou résulter de processus tels que le soudage, le fumage, le polissage. Le , la Commission européenne publie ses recommandations relatives à la définition des nanomatériaux (recommandation 2011/696/UE)Recommandation de la Commission du 18 octobre 2011 relative à la définition des nanomatériaux, Journal officiel de l’Union européenne, 20 octobre 2011, : .
L'utilisation de ces produits a connu un développement rapide (). En 2016, contenant des nanomatériaux ont été référencés dans le monde contre seulement 54 en 2005.
De nombreux matériaux font l'objet de recherches visant à les produire sous forme de nanoparticules (métaux, céramiques, matériaux diélectriques, oxydes magnétiques, polymères divers, carbones, etc.), seuls ou en formes ou structures composites.
On parle également de nanocomposites (et nanocomposite de polymère) qui sont par exemple des matériaux dits « nanostructurés » (en surface ou en volume), ou « nanorenforcés ».
Avec la mise au point de techniques permettant d’élaborer des matériaux dont les dimensions sont nanométriques, un champ considérable s’est ouvert pour des matériaux nouveaux et des propriétés ont été découvertes qui relèvent de la physique (optique, électronique, magnétisme), avec déjà un ensemble très important d’applications industrielles, de la catalyse ou de la mécanique, avec toutefois, pour les matériaux structuraux, une limitation liée à la difficulté à accéder à des quantités de matière ou à des coûts pertinents. Parallèlement se sont développées des technologies permettant de façonner, par modulation de la composition ou par usinage à l’échelle nanométrique, des systèmes de matériaux et, de là, d’inventer des dispositifs nouveaux en microélectronique et en informatique.
Historique L’utilisation des nanoparticules par l’humanité remonte au début des temps civilisés. En effet, de façon inconsciente, certaines civilisations ont eu du succès dans divers domaines (métallurgie et médecine), à l’aide des nanomatériaux. C’est d’abord par l’optimisation empirique de certaines technologies, sur plusieurs décennies, à travers un système d’artisan et d’apprenti, qu’ils ont mis à profit des nanostructures. Le succès des médecines traditionnelles chinoises, ou encore la production des aciers de Damas n’est rien de moins que l’œuvre d’un changement dans la matière à l’échelle nanométriqueR. Vajtai, Springer Handbook of Nanomaterials, Springer, 2012.. En effet, à titre d’exemple illustrant ces faits, des nanofils encapsulés dans des nanotubes ont été identifiés dans une épée originale du , identifiée comme étant faite de cet acier mythique. Les méthodes de fabrication avaient été modulées par les artisans de l’époque, jusqu’à la production d’acier qui avait des propriétés bien supérieures à celles de la cémentite.
Philosophiquement, ce n’est que récemment qu’une civilisation ait jeté les bases scientifiques des nanotechnologies. En effet, c’est dans les années 1950, que Richard Feynman, qui a, par ses présentations de « », établi qu’il est théoriquement possible de construire atome par atome, des structures avec des propriétés spécifiques. Avec la découverte par Richard Smalley du fullerène, une nanosphère de carbone (C60), ainsi que la possibilité technique de les caractériser et de les fabriquer, les nanomatériaux étaient devenus une réalité qui avait le potentiel de révolutionner toutes les sphères de la scienceE. S. Papazoglou, A. Parthasarathy, , 2007, 2, 1..
Avec la découverte de l’ADN, l’humanité allait devoir se doter d’outils et de techniques pour pouvoir construire, créer et modifier ce type de structure fondamentale. La conception d’instruments tels que le microscope à force atomique, le microscope à balayage électronique et la spectrométrie à diffraction de rayon x, combiné à leur amélioration, ont permis de faire progresser rapidement la recherche dans les nanomatériaux. Les microscopes à force atomique et les microscopes à balayage électronique ont permis aux scientifiques de « voir » et de constater un univers nanologique de la même façon que les microbiologistes du ont découvert les mécanismes intimes des cellules avec le développement du microscope optique.
L’accélération de la recherche dans les méthodes de synthèses et l’augmentation de la disponibilité des nanoparticules de toute sorte, ont permis à l’humanité de ce qui sera possiblement rapporté dans le futur comme le début de l’âge du « nano ». Aujourd’hui, c’est le caractère multidisciplinaire des nanotechnologies qui intéresse des chercheurs dans des domaines visant à trouver des solutions aux grands problèmes énergétiques, aux problèmes de santé, à l’optimisation de technologies existante et les promesses de ce contrôle intime de la matière sont nombreuses.
Synthèse et mise en œuvre Deux approches existentG. A. Silva, Nanotechnology for biology and medicine, Springer, 2012., qui consistent à : assembler des atomes dans un « réacteur » ou autre système pour produire des nanoparticules : Approche bottom-up ; dégrader de la matière en particules nanométriques : approche top-down. Cette approche sert davantage à élaborer des dispositifs nanométriques que de synthétiser les nanomatériaux proprement dits. La nanolithographie de circuits électroniques en est un exemple.
Voir ci-bas un aperçu de quelques techniques de synthèse pour des nanomatériaux d'actualité. Il est important de noter que la modulation des paramètres de synthèse sert principalement à contrôler la morphologie et la taille des particules et que chaque technique donne des résultats variables au niveau de la pureté et de l'homogénéité du produit. De plus, certaines techniques sont applicables en laboratoire mais difficilement exportables à grande échelle.
Synthèse de nanoparticules d’oxyde de zinc Les nanomatériaux d’oxyde de zinc sont souvent fabriqués selon deux méthodes : la méthode du dépôt de vapeurs chimiques et la méthode de précipitation hydrothermale. La première comporte plusieurs variantes, mais le principe est toujours le même : l'évaporation des réactifs et la condensation du produit en contrôlant les paramètres pour obtenir la morphologie désirée. La deuxième permet un grand contrôle sur la cristallisation en milieu aqueux.
Méthode de dépôt de vapeurs chimiques L’une des plus populaires est l’évaporation de l’oxyde de zinc à très haute température (> ) dans une atmosphère d’azote et d’oxygène gazeux avec un catalyseur d’argent pour ensuite être condensé sur un substrat à pression et température () contrôlée pour l’obtention de différentes morphologiesM. Kashif, M. N. Akhtar, N. Nasir, N. Yahya, In Carbon and Oxide Nanostructures, Advanced Structured Materials, Springer, Berlin Heidelberg, 2011, .. Afin d’éviter l’utilisation d’un catalyseur, d’excellents résultats dans la production de nanofils ont été obtenus par le dépôt chimique en phase vapeur organométallique. La croissance des nanofils dépend des débits gazeux, de la pression du précurseur, de la température du substrat et de sa position dans le réacteur. La qualité du film obtenu se compare favorablement aux autres méthodesN. Yahya, Carbon and oxide nanostructures, Springer, 2010, ..
Méthode de la précipitation en solution (hydrothermale) Cette méthode consiste en la précipitation en milieu aqueux à des températures d’un maximum de à des pressions élevées d’environ durant plusieurs heures à pH contrôlé. Les réactifs donnent l’oxyde de zinc, qui en fonction de la température, la pression, le pH et le temps de réaction, cristallisera en différentes formes, de différentes grosseursG. Ciofani, A. Menciassi, Piezoelectric nanomaterials for biomedical applications, Springer, 2012.. À la suite de la réaction, il ne suffit que de récupérer les cristaux par filtrage, rinçage et séchage. Quoique cette description soit extrêmement triviale, la littérature contient un nombre incalculable d’articles exposant les marches à suivre pour obtenir des nanomatériaux ayant les caractéristiques morphologiques souhaitées.
Synthèse de nanoparticules de titanate de baryum Le titanate de baryum est une substance déjà utilisée à grande échelle pour ses propriétés piézoélectriques. Depuis quelques années, plusieurs articles ont fait état de la façon de le fabriquer sous forme de nanoparticules. La méthode des oxydes mixtes, qui consiste grossièrement en la réaction de deux oxydes dans des ratios stœchiométriques appropriés suivie de broyages et calcinations successives pour faire « croitre » des cristaux du pérovskyteJ. Xue, D. Wan, J. Wang, Materials Letters, 1999, 39, 364.. La méthode de synthèse hydrothermale est souvent employée pour le titanate de baryum. Cependant, l’intérêt dans plusieurs domaines de nanoparticules de titanate de baryum en grandes quantités et de grande qualité ont poussé les chercheurs à trouver une méthode de synthèse à grande échelleT. Ould-Ely, M. Luger, L. Kaplan-Reinig, K. Niesz, M. Doherty, D. E. Morse, Nat. Protocols, 2011, 6, 97.. Ould-Ely ont récemment réalisé ceci avec une méthode sol-gel de production de nanoparticules de titanate de baryum, à température de la pièce, en s’inspirant de la biosilification, un processus biologique misant sur la polycondensation en milieu aqueux. La synthèse mise sur le mélange d’un précurseur de BaTi(OCH2CH(CH3)OCH3)6 et de methoxyproanol/1-butanol dans l’eau distillée exposée à une vapeur d’eau et d’acide chlorhydrique. Lors de la synthèse semi-continue, ils ont obtenu des nanoparticules de avec un rendement de 90 %. En utilisant un procédé en continu, les particules ont augmenté de taille à . Dans les deux cas la synthèse dure de un à dix jours en fonction de la température de cristallisation choisie (à plutôt qu’à température de la pièce, la cinétique chimique s’en trouve augmentée). Malheureusement, en ce qui concerne son utilisation dans le domaine biomédical, la stabilité du titanate de baryum en milieu aqueux à pH variable pose plusieurs problèmes entre autres par la formation d’ions de Ba+X. Y. Wang, S. W. Lu, B. I. Lee, L. A. Mann, Materials Research Bulletin, 2000, 35, 2555.U. Paik, S. Lee, V. A. Hackley, Journal of the American Ceramic Society, 2003, 86, 1662.. C’est pourquoi il faut, selon les applications, enrober le nanomatériau avec un polymère. Dans la section sur la biocompatibilité du titanate de baryum, des exemples d’enrobages sont expliqués pour des applications précises.
Synthèse de nanoparticules de nitrure de bore