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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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Glossaire
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5. Conclusion
Lorsque la taille d’un objet diminue, des effets spécifiques apparaissent dus à l’augmentation du nombre d’atomes de surface par rapport au nombre d’atomes de volume, aux effets de confinement quantique, à l’absence (ou présence) de défauts spécifiques… Il est cependant impossible de définir une dimension critique universelle en dessous de laquelle les propriétés d’un nano-objet diffèrent de celles d’un matériau massif. En effet, chaque propriété est caractérisée par une ou des longueurs caractéristiques en dessous desquelles les phénomènes physiques sont grandement modifiés. Lorsqu’un nano-objet aura une dimension inférieure à une telle longueur critique, ses propriétés diffèreront de celles du matériau massif. Ainsi, par exemple pour une nanoparticule de taille inférieure au libre parcours moyen des électrons, ce sont les collisions des électrons avec la surface de la particule qui deviendront importantes. De même, une nanoparticule métallique de taille inférieure à la profondeur de pénétration d’une onde présentera des propriétés optiques spécifiques etc. Il est donc primordial, pour bien appréhender les propriétés des nano-objets, de connaître les longueurs caractéristiques les plus importantes associées à chacune des grandes familles de propriétés (mécanique, électronique, optique, magnétique, de transport, thermodynamique). Dans un certain nombre de cas, et dans le cadre d’approximations simplificatrices (particules sphériques, homogènes, approximation quasi statique, approximation du gaz d’électrons libres…) il est possible d’établir des relations analytiques permettant de prédire qualitativement et quantitativement quelques comportements spécifiques des nano-objets. Au-delà de ces approximations il est nécessaire d’utiliser des outils numériques de simulation pour prédire ou calculer précisément les effets de taille et de forme.
En pratique, il est difficile d’utiliser, pour des applications, des nano-objets libres, c’est-à-dire non supportés par un substrat. L’utilisation industrielle des nano-objets est donc souvent liée à leur incorporation dans une matrice ou sur un substrat. C’est ainsi que sont essentiellement exploitées les propriétés de matériaux nanostructurés ou nanoporeux. Beaucoup d’efforts sont industriellement réalisés en particulier dans les domaines de l’énergie,...
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Conclusion
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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