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Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les propriétés d’un matériau de taille nanométrique diffèrent de celles du même matériau à l’échelle micro ou macroscopique. La taille en dessous de laquelle une propriété est modifiée dépend de la propriété elle-même, via une ou des longueurs caractéristiques. L’objet de cet article est de décrire quelques longueurs caractéristiques afin d’explorer les effets de taille et de forme sur les propriétés mécaniques, électroniques, optiques, de transport, magnétiques et thermodynamiques ou chimiques des nano-objets. Ces propriétés intrinsèques donnent lieu à des innovations dans de nombreux domaines industriels (médecine, énergie, environnement, transport, textile, industrie chimique, électronique…).
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The properties of nanoscale materials differ from those of the same materials at the micro or macroscopic scale. The size below which a property changes depends on the property itself by means of one or several characteristic lengths. The topic of this article is to explore the properties of nanoscaled objects via their characteristic lengths. The size and shape effects on mechanical, electrical, optical, transport, magnetic and thermodynamics or chemical properties are thus described. These intrinsic properties give rise to innovations in many industrial fields (medicine, energy, environment, transport, textile, chemical industry, microelectronics…).
Auteur(s)
-
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
La réduction de taille d'un objet vers des dimensions nanométriques modifie quantitativement et qualitativement ses propriétés. C’est pourquoi, alors que les propriétés d’un matériau macroscopique ne dépendent que de sa structure et de sa composition, les propriétés d'un nano-objet résultent également de sa taille et de sa forme. Ainsi, si aux échelles usuelles, l'ingénieur doit, pour obtenir des propriétés spécifiques, rechercher la composition chimique puis la structure cristallographique idéales, à l'échelle nanométrique le même ingénieur dispose des variables supplémentaires que sont la taille et la forme de l'objet. L'espace des paramètres accessibles ainsi augmenté est à l’origine de nombreuses applications potentielles. Il n’existe cependant pas de règle universelle permettant de prédire en dessous de quelle taille critique les propriétés d’un nano-objet diffèrent de celles du même matériau massif à partir duquel il a été formé. Dans le cas des matériaux hétérogènes, composés de domaines ou de grains, la taille critique est celle d’un domaine. Pour les matériaux homogènes, toute propriété étant caractérisée par une (ou plusieurs) longueurs caractéristiques, un nano-objet doit avoir une taille critique de l’ordre de grandeur ou plus petite que cette longueur caractéristique pour que ses propriétés diffèrent de celles du matériau massif.
L’objectif de cet article est, sans prétendre à l’exhaustivité, d’analyser les propriétés mécaniques, électroniques, optiques, magnétiques, de transport et thermodynamiques des nano-objets en prêtant une attention particulière aux longueurs caractéristiques des propriétés étudiées et ainsi mettre en exergue les tailles critiques en dessous desquelles les nano-objets peuvent présenter des propriétés spécifiques liées à leur taille mais aussi à leur forme. Une attention particulière est portée aux nanoparticules, aux films ultra minces et matériaux bidimensionnels ainsi qu’aux nanofils ou nanotubes qui sont des nano-objets présentant une dimension nanométrique dans respectivement trois, deux ou une direction. Les matériaux nanostructurés ou nanocomposites qui, bien que de dimensions macroscopiques, peuvent présenter des propriétés nouvelles induites par leur structuration à l’échelle nanométrique, sont également évoqués.
Afin de faciliter la lecture, chaque section dédiée à une propriété est précédée d’un rappel succinct (dans un encart) suivie d’une définition des longueurs caractéristiques associées. Les principaux effets de taille et de forme sur les propriétés de nano-objets de taille inférieure à ces tailles critiques sont alors décrits et quelques exemples d’applications présentés.
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KEYWORDS
properties | size effects | characteristic lengths
VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 2001 par Paul COSTA
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion
En anglais
4. Cas des matériaux nanostructurés ou nanocomposites
Il est possible de définir deux classes de matériaux massifs incorporant des nano-objets ou nanostructures :
-
les matériaux nanostructurés que ce soit en surface (exemple des revêtements de surface) ou en volume (exemple des matériaux nanoporeux) ;
-
les nanocomposites : correspondant à une matrice incorporant des nano-objets ; la matrice peut être constituée de polymères thermoplastiques, de papier, d'acier, de verre…
Dans les deux cas, de nouvelles propriétés peuvent être induites par les propriétés de surface et d’interfaces. En particulier, la structuration à l’échelle nanométrique entraîne une augmentation importante des surfaces d’échanges et ainsi une réactivité élevée du matériau vis-à-vis de son environnement.
-
L'étude de la porosité à l'échelle du nanomètre est un défi nécessitant de déterminer la topologie et le développement du réseau poreux ainsi que la structure atomique du matériau entourant les pores. Lorsque les pores sont de taille nanométrique, leurs interactions avec la matière susceptible de les remplir peuvent devenir prépondérantes pour les propriétés de transport ou de stockage . En effet, la porosité conditionne les propriétés de transport, de stockage, de confinement, de stabilité avec ou sans contrainte (rayonnement, pression, fracturation…). Les domaines d’application sont nombreux allant de la construction (ciments, matériaux du patrimoine…) à l'énergie (extraction d'hydrocarbures, séquestration du CO2, stockage de déchets nucléaires…) .
-
Une plus grande aire d’interfaces permet d’améliorer les propriétés mécaniques et tribologiques. Par exemple, des céramiques nanostructurées sont plus résistantes et plus ductiles que des céramiques traditionnelles ...
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Cas des matériaux nanostructurés ou nanocomposites
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MÜLLER (P.), LEROY (F.) - Nanosciences et nanomatériaux : rappels de cours et apprentissage par exercices corrigés. - Éditeur Ellipses, Collection : Formations et techniques, 288 pages (2019).
-
(2) - MÜLLER (P.), ANDRIEU (S.) - Les surfaces solides : concepts et méthodes. - Éditeur EDP Sciences, CNRS Editions, 510 pages (2005).
-
(3) - MÜLLER (P.), SAUL (A.) - * - . – Surface Science Reports, 54, 157 (2004).
-
(4) - MÜLLER (P.) et al - * - . – Advanced Natural Science : Nanoscience and Nanotechnology 5, 013002 (2014).
-
(5) - SINGLETON (J.) - Band theory and electronic properties of solids, Oxford Master Series in Condensed Matter Physics. - Oxford University Press, 222 pages (2001).
-
(6) - MÜLLER...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
La plupart des laboratoires français et internationaux étudiant les matériaux s’intéressent à leurs propriétés à l’échelle nanométrique. La liste suivante de laboratoires français est non exhaustive :
-
Groupe de Physique de Matériaux
-
Centre d’élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales, Toulouse
-
Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille
-
Centre de Nanoscience et de Nanotechnologie
-
Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes Toulouse
-
Laboratoire INAC-Spintec, UMR CNRS/CEA/UGA
-
Institut de Microélectronique et de Nanoscience de Provence
-
Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, Paris
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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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