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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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3. Perspectives d’applications
Hormis pour la catalyse (Raney, 1927), les nano-mousses métalliques sont des matériaux encore récents (début des années 1970), qui font l’objet de recherches intenses et variées, en vue d’applications depuis les années 2000. Les perspectives d’intégration de nano-mousses dans des systèmes dérivent de leur architecture spécifique, combinant des ligaments (conducteurs électrique et thermique, à bonne résistance mécanique et à déformation élasto-plastique), une très forte surface spécifique et une porosité ouverte. De là, deux grandes classes d’applications peuvent être définies :
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des fonctions, qui peuvent se décliner en deux sous classes :
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actionneur : l’application d’une sollicitation (par exemple électrique ou optique) produisant une réaction (par exemple mécanique ou plasmonique),
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capteur pour de la détection ou du diagnostic par action d’une espèce en surface et collection d’une information (signal électrique) via les ligaments ;
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la réactivité : capacité au frittage pour l’interconnexion, la catalyse, les batteries et les supercondensateurs.
3.1 Actionneur mécanique
L’actionneur est un composant contenant un matériau dont les dimensions varient réversiblement sous l’effet d’une contrainte externe, telle une tension électrique. Un actionneur idéal présenterait des rigidité et résistance mécanique fortes pour supporter une large gamme de charge (A) et une grande amplitude de déformation (B). Aux deux extrêmes, on trouve les céramiques piézoélectriques vérifiant la condition (A) et, plus récemment, des polymères vérifiant la condition (B). Il n’existe pas de matériaux (massifs) vérifiant les conditions idéales, même si certaines gammes d’alliages métalliques pourraient combler ce vide. La nature conductrice et le phénomène d’écrantage du champ électrique en surface conduisent à l’absence de champ électrique dans le volume, et donc à l’absence de phénomène piézoélectrique pour les métaux. Pour des métaux présentant de très grandes surfaces spécifiques, des variations dimensionnelles sont possibles par le contrôle des forces de capillarité via un électrolyte...
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BIBLIOGRAPHIE
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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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