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RÉSUMÉ
Un objet de dimensions nanométriques a des propriétés différentes de celles du matériau macroscopique dont il est issu. Les nanomatériaux sont ainsi de plus en plus utilisés pour de nombreuses applications. Cependant ils se présentent souvent dans des états métastables tant du point de vue de leur structure cristallographique, de leur forme, que de leur composition. Cet article traite de la structure, de la morphologie et de la stabilité des nano-objets (nanoparticules, matériaux bidimensionnels, films minces, nanofils et nanotubes) indépendamment de leurs modes de préparation sans omettre l’influence du substrat (cas des nano-objets déposés) ou des objets voisins (effets collectifs). Ces effets doivent être compris voire maîtrisés afin d’optimiser l’élaboration et l’utilisation des nanomatériaux.
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Pierre MÜLLER : Professeur à l’université d’Aix-Marseille - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM), UMR 7325, campus de Luminy, 13288 Marseille, France
INTRODUCTION
Les nanomatériaux manufacturés peuvent être synthétisés selon deux approches. L’approche ascendante (« bottom-up » en anglais) consiste à élaborer les nanomatériaux par assemblage d’atomes, molécules ou agrégats. Elle relève généralement de méthodes de croissance. L’approche descendante (« top-down » en anglais) est fondée sur la miniaturisation d’un matériau par fractionnement ou suppression de matière et relève généralement de l’utilisation de méthodes issues de la microélectronique. Dans tous les cas, les matériaux obtenus ne sont pas nécessairement stables. Les nanoparticules peuvent ainsi présenter des structures cristallographiques exotiques, des morphologies spécifiques, des phases thermodynamiques non usuelles ou être influencées, tant en forme qu’en taille, par le substrat sur lequel elles sont déposées ou par des particules voisines. C’est également le cas des films minces, libres ou déposés sur un substrat, qui peuvent présenter des instabilités morphologiques liées à leurs propriétés thermodynamiques, mécaniques et élastiques ou à leur couplage. Les matériaux bidimensionnels, pouvant être décrits comme des films d’épaisseur atomique ou moléculaire, présentent également des caractéristiques spécifiques en matière de stabilité. Enfin, il est possible d’obtenir des nano-objets sous forme de nanoparticules creuses, de nanofils ou de nanotubes présentant une grande stabilité.
Comprendre la structure, la morphologie et les conditions de stabilité des nanomatériaux est un préalable indispensable avant de pouvoir les intégrer dans un quelconque dispositif de laboratoire ou procédé industriel. C’est là l’objet du présent article.
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- Version archivée 1 de sept. 2001 par Paul COSTA
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Matériaux nanostructurés et nanocomposites
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2. Nano-objets
2.1 Nanoparticules
La structure d’un matériau résulte de l’agencement de ses atomes. Lorsque ceux-ci sont périodiquement ordonnés dans l'espace, ils forment ce que l’on appelle un cristal. La structure cristalline est alors décrite par les paramètres de maille du cristal, son réseau de Bravais, son groupe d'espace et la position des atomes dans la maille cristalline . L’ordonnancement doit cependant respecter certaines règles de symétrie : il n’est par exemple pas possible de paver l’espace avec des objets de symétrie autres que 1, 2, 3, 4, 6 (figure 2). Un monocristal de taille finie ne peut donc pas a priori présenter d’axe de symétrie d’ordre 5, sa forme sera donc un polyèdre de symétrie 1, 2, 3, 4 ou 6.
Pour une taille supérieure à quelques dizaines de nanomètres, les particules présentent la même structure cristalline que le matériau à l’état massif dont elles sont issues car le rapport surface/volume est faible. Pour des tailles plus petites, les nanoparticules (ou agrégats) ne peuvent plus être considérées comme des simples fragments d’un solide cristallin. Le paramètre cristallographique moyen peut différer de celui du matériau massif à cause de la surpression de Laplace qu’exerce la surface sur le volume sous-jacent . Certaines nanoparticules peuvent adopter une structure cristalline n’existant...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ASHCROFT (A.), MERMIN (N.) - Physique des solides. - EDP Sciences, 986 pages (2002).
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(2) - LAPLACE (P.) - Mécanique Céleste. - Livre X, Courcier, Paris (1805).
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(3) - KERN (R.), MULLER (P.) - * - . – Surface Science, 392, 103 (1997).
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(4) - MULLER (P.), KERN (R.) - * - . – Surface Science, 457, 229 (2000).
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(5) - HEYRAUD (J.C.), METOIS (J.J.) - * - . – Journal of Crystal Growth, 50, 571 (1980).
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(6) - MOTTET (C.) et al - * - . – Phase transitions, 77, 101 (2002).
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