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RÉSUMÉ
Les nanoparticules sont des particules aux dimensions de l’ordre du nanomètre ou au dessous, étudiées et manipulées par les nanosciences et les nanotechnologies. Afin de réduire les effets indésirables dus aux différentes propriétés physiques, à l’échelle nanométrique comme macroscopique, l’étude de ces nanoparticules est nécessaire. Cet article donne dans un premier temps quelques définitions, puis décrit la structure atomique de ces particules (atome à l’amas, nombres magiques, fullerènes, etc). Une approche thermodynamique est ensuite proposée grâce à l’analyse de la fusion des nanoparticules et aux diagrammes de phase. La notion de transfert thermique est par la suite abordée.
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INTRODUCTION
Des effets négligeables à notre échelle macroscopique jouent un rôle essentiel à l'échelle nanométrique, et réciproquement. Diverses propriétés physiques particulières des nanoparticules inorganiques se manifestent lorsque leur taille atteint environ 10 nm.
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Cohésion des nanoparticules : approche thermodynamique
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2. Structure atomique
2.1 Atome à l'amas
Lorsque plusieurs atomes interagissent attractivement, ils commencent généralement à former des molécules. À partir de quelle dimension peut-on dire que l'on passe d'une molécule à une nanoparticule ? Considérons les assemblages constitués d'un seul type d'atomes, interagissant via un potentiel du type de Lennard-Jones :
( 1 )
avec :
- r :
- (m) distance interatomique.
Lorsque le nombre d'atomes N croît, leur arrangement géométrique varie. Les atomes se groupent en amas (clusters ) . Plusieurs arrangements géométriques sont possibles pour la même valeur de N.
lorsque N = 6, deux minima locaux de l'énergie totale apparaissent. Ils correspondent à une structure stable, l'octaèdre, et à une structure métastable, la tripyramide. Le nombre de minima locaux croît rapidement avec N, comme l'indique le tableau 1.
Les différents minima locaux sont caractérisés par des énergies totales situées dans une gamme relativement restreinte. De nombreux états métastables sont caractérisés par des énergies très proches de celle du niveau fondamental. Si ces écarts d'énergie sont comparables à l'énergie thermique kT (où T est la température du système et k la constante de Boltzmann), on peut supposer qu'il y a des fluctuations thermiques de la structure atomique. La présence de nombreux états métastables à la même énergie (ou presque) est aussi une indication que l'énergie d'excitation peut être dispersée dans de nombreux états, et y être stockée pendant un temps assez long.
Lorsque N atteint quelques centaines, le calcul des propriétés...
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Structure atomique
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - WAUTELET (M.) (éd.) - Les Nanotechnologies. - Dunod (2003).
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(6) - CARPICK (R.W.), SALMERON (M.) - * - Chem. Rev., 97, 1163 (1997).
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- ...
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