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RÉSUMÉ
Les nano-mousses métalliques sont des structures bi-continues constituées de ligaments métalliques de dimensions nanométriques et de l’ordre de 50% de porosité. De cette architecture découlent des propriétés plasmoniques, mécaniques et chimiques spécifiques. Elles peuvent être exploitées pour des applications : actionneur mécanique ; capteur ; formation d’interconnexions pour la microélectronique ; catalyse et électrocatalyse ; composants de batterie et de supercondensateur. Ces perspectives concernent les domaines de la santé, de l’énergie et de l’environnement.
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Yannick CHAMPION : Directeur de recherches au CNRS Laboratoire science et ingénierie des matériaux et procédés, Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Saint Martin d’Hères, France
INTRODUCTION
Les nano-mousses métalliques sont des matériaux anciens : le premier brevet a été déposé par Raney en 1927, sur le nickel, pour une application en catalyse hétérogène. Ce sont aussi des matériaux très récents, avec des études intensives depuis les années 2000 et la mise en valeur de comportements inattendus comme par exemples les propriétés catalytiques de l’or nanométrique, la sélectivité chimique et biologique, et la plasmonique. Le besoin d’innovation dans le domaine des matériaux est permanent, et s’intensifie même face aux enjeux que se fixent les sociétés, relevant de l’évolution naturelle (amélioration des conditions de la vie : santé, industrie, transport, bâtiment, etc.) et de nécessités environnementales (énergie, écologie). Ce contexte rend nécessaire la création de nouvelles fonctions qui, de fait, reposeront principalement sur de nouveaux matériaux, de nouvelles architectures ou de nouveaux concepts.
Les mousses métalliques (micrométriques) ont une production de masse, et sont principalement utilisées pour leurs propriétés mécaniques et dans l’industrie métallurgique, par exemple. Leurs petites sœurs, les nano-mousses métalliques, outre leurs applications en catalyse, sont plus confidentielles en raison notamment des faibles quantités produites. Les secteurs de niche qu’elles intéressent sont toutefois importants. Les perspectives d’applications abordées dans cet article concernent les actionneurs, les capteurs (en particulier les bio-capteurs), la spectroscopie Raman et la spectroscopie de fluorescence issues de la plasmonique, l’interconnexion en microélectronique, la catalyse et l’électro-catalyse, les batteries et les supercondensateurs.
Les nano-mousses sont des matériaux cellulaires à structure bi-continue. Dans cet article, les nano-mousses décrites sont surtout celles issues du procédé de dissolution sélective (dealloying) car elles sont les plus répandues. Elles sont formées de ligaments désordonnés, connectés, de dimensions nanométriques et développant une porosité de l’ordre de 50 %. Les perspectives d’applications développées s’appuient sur des rappels, dans un premier temps, sur les propriétés optiques, mécaniques et chimiques des nano-mousses métalliques, avec la mise en valeur systématique de la nature nanométrique et de la forte surface spécifique.
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1. Rappels sur la structure
1.1 Architecture de nano-mousses
Les différentes structures de nano-mousses métalliques en liens avec leurs élaborations sont détaillées dans [N 3 805]. Les principales caractéristiques et nomenclatures sont rappelées ci-dessous.
Une définition de ces objets serait :
« Les nano-mousses métalliques sont des matériaux cellulaires bi-continus présentant des taux de porosité supérieurs à 50 % et des dimensions structurales nanométriques – longueurs et diamètres de ligaments, tailles de pores, tailles de grains, épaisseurs de parois – qui leur confèrent des propriétés nouvelles, en tout cas différentes de celles des mousses métalliques à structure micrométrique ».
La figure 1 a en illustre les principales caractéristiques structurales. On notera respectivement D et
le diamètre et la longeur de ligament. Les caratéristiques structurales spécifiques sont contrôlées par la méthode d’élaboration. Par exemple, la figure 1 b montre une nanomousse à ligaments désordonnés préparée par dissolution selective, par opposition à des structures périodiques obtenues par dépôt sur des templates polymériques (figure 2 a ), ou aux structures tubulaires obtenues par lithographie et dépôt en surface (figure 2 b ).
1.2 Effets « nano »
Puisqu’il est question dans cet article de propriétés en lien avec des dimensions structurales nanométriques, il est intéressant de rappeler brièvement...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LILLEODDEN (E.T.), VOORHEES (P.W.) - On the topological, morphological, and microstructural characterization of nanoporous metals. - Mrs Bulletin, 43, p. 20-26 (2018).
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(3) - SCHAEDLER (T.A.), JACOBSEN (A.J.), TORRENTS (A.), SORENSEN (A.E.), LIAN (J.), GREER (J.R.), VALDEVIT (L.), CARTER (W.B.) - Ultralight metallic microlattices. - Science, 334, p. 962-965 (2011).
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(5) - ZHANG (J.X.), ZHANG (L.D.), XU (W.) - Surface plasmon polaritons : physics and applications. - Journal of Physics D-Applied Physics, 45, p. 19 (2012).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche
Institut de physique des matériaux, Université de Hambourg, Allemagne
3D packaging researche Center, Georgia Institute of technology, Atlanta, États-Unis
Institut d’études avancées, Université de Strasbourg
Laboratoire SIMaP, UGA, G-INP, CNRS, Grenoble
Laboratoire LEPMI, UGA, G-INP, CNRS, Grenoble
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