Nano-mousses métalliques - Structure et élaboration

Les mousses métalliques sont des matériaux dits cellulaires composés d’une structure ligamentaire métallique et d’espace. Une caractéristique commune aux mousses métalliques est leur taux de porosité très élevé, moins de 50 % volumique de matière. Leurs structures sont très variées : périodiques comme les « nids d’abeilles », stochastiques avec répartition aléatoire de la matière, partiellement organisées comme l’assemblage de sphères creuses. On distinguera également les mousses à porosité ouverte et fermée. Les mousses métalliques sont fabriquées depuis plus d’un siècle, autour des métiers de la fonderie. Cependant, l’intérêt pour ces matériaux s’est accru depuis une vingtaine d’années dans le sillage des grands défis sociétaux (environnement, énergie, santé…). Les mousses métalliques font partie désormais de la famille des matériaux architecturés où l’organisation de la matière est modélisée et contrôlée par des techniques d’assemblage comme la fabrication additive, par dispersion à l’état liquide (moussage). L’architecture cellulaire est conçue (designed) pour faire naître des propriétés ciblées, notamment la multifonctionnalité tout en allégeant les structures. Le développement industriel s’initie dans les domaines du transport, de l’habitat, de l’énergie, du médical : absorbeur de chocs et de vibrations, blindage, échangeur thermique, isolant phonique, support de catalyseur, électrode, prothèse.

Dans la vaste famille des mousses métalliques, les nano-mousses se distinguent ; si l’on retrouve les grandes caractéristiques énoncées précédemment, l’échelle (ou les échelles) structurale nanométrique exigera d’une part des modes d’élaboration et de caractérisation adaptés, et produira des propriétés spécifiques à l’état nanométrique. Comparées à leurs grandes sœurs, les nano-mousses sont encore assez confidentielles, mais la recherche académique est très dynamique depuis 2010. On rappellera toutefois que Raney a breveté en 1927 la fabrication de catalyseur de nickel à très forte surface spécifique : il a ainsi posé les bases d’une des techniques majeures de fabrication de nano-mousses dont le principe est la dissolution sélective (dealloying), dans son cas précis, d’un alliage Ni-Al-Si.

La caractéristique dominante des nano-mousses réside dans leurs dimensions structurales. La nomenclature de l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) fixe la taille de porosité en diamètre de pores selon : les micropores sont plus petits que 2 nm, les mésopores sont compris entre 2 et 50 nm, et les macropores sont plus grands que 50 nm. Il est pourtant d’usage de classer dans les matériaux nano-poreux ceux dont le diamètre des pores est compris entre 1 et 100 nm. Avec un taux de porosité supérieur à 50 %, la dimension des ligaments de matière sera également dans ces ordres de grandeur. Sur ces bases dimensionnelles, les nano-mousses développent des surfaces spécifiques extrêmement élevées, présentant un très fort intérêt pour les interactions et les échanges se produisant par la surface (catalyse, insertions, échanges de chaleurs, écoulement). Bien au-delà, les dimensions nanométriques apportent les propriétés spécifiques de la matière métallique dans cet état : résistance mécanique, propriétés optiques avec confinement du plasmon d’électrons, magnétiques avec des mono-domaines, anisotropie aléatoire, etc. dont on peut attendre de fortes perspectives d’applications sur les plans structuraux et fonctionnels. Les surfaces elles-mêmes sont caractérisées par des courbures élevées, modifiant le potentiel chimique de surface et ainsi accentuant la réactivité, phénomène bien connu en catalyse.

Les nano-mousses sont des matériaux encore nouveaux, riches en perspective sur le plan de la recherche fondamentale. Ils ne sont plus identifiés pour une utilisation essentiellement en tant que tel, mais comme base pouvant être fonctionnalisée en surface, combinées à d’autres phases, pouvant présenter une structure hiérarchisée, cela dans le but d’atteindre des fonctions spécifiques ou de la multifonctionnalité. Leurs propriétés mécanique, physique et chimique, l’intégration dans des micro- et nanosystèmes ouvrent des voies d’applications particulièrement prometteuses pour des domaines tels que la micro- et nanoélectronique, la catalyse, les batteries, la micro- et nanofiltration, le traitement de l’eau, la dépollution, les capteurs, les actuateurs, les implants médicaux…

Cet article présente les différents types de structures de nano-mousses métalliques et les principales techniques de caractérisation. Les principales méthodes d’élaboration des différentes gammes de nano-mousses métalliques sont ensuite détaillées. Les principales propriétés chimiques et physiques, ainsi que les perspectives d’applications sont seulement abordées.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des notations et des symboles utilisés.