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RÉSUMÉ
Les nanophases métalliques sont présentes dans de très nombreuses applications, exploitées pour leurs propriétés ou en raison de la miniaturisation des produits. Dans cet article, il est question de comprendre la raison d’un changement de propriétés des nanophases métalliques par l’établissement d’une définition claire de ce type de phase. Les dimensions de microstructures qui deviendront nanostructures sont confrontées aux longueurs d’échelles de propriétés. L’approche est illustrée pour les propriétés mécaniques, optiques, magnétiques et chimiques.
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Yannick CHAMPION : Directeur de recherche CNRS - Laboratoire SIMaP, CNRS Grenoble, France
INTRODUCTION
Les nanophases métalliques sont présentes dans des applications aussi variées que l’électrotechnique, l’électronique, le numérique et l’information, la chimie et la santé. Leur utilisation est soit intentionnelle, afin d’exploiter les propriétés spécifiques de l’échelle nanométrique, soit subie, dans la tendance toujours plus forte à la miniaturisation des produits. L’objectif de cet article est de montrer et de comprendre pourquoi de nouvelles propriétés apparaissent quand un matériau devient ce que l’on appelle un nanomatériau. On se limite aux métaux et alliages métalliques à l’état solide, mais la démarche peut se généraliser à tous les types de phases. Il est d’ailleurs parfois fait référence, pour illustrer le propos, aux céramiques et aux polymères, et à l’état liquide. On pourrait penser qu’il s’agit seulement de changer la nature de la liaison chimique. Pourtant, cela a de fortes répercussions : le métal est par exemple ductile, la céramique fragile. L’intérêt de se restreindre aux métaux est que la plupart des propriétés sont abordables sous l’angle de la physique classique, par « opposition » à la physique quantique.
Sous-jacent à l’objectif principal, il s’agit ici pour le lecteur de bien comprendre ce que sont les nanophases et les nanomatériaux, d’en donner une définition claire, et donc de se munir d’une méthode pour identifier le passage de l’état de la matière standard à l’état nano. Avant d’aborder cet aspect, il peut être légitime de se demander s’il y a un quelconque intérêt à découvrir de nouveaux matériaux, dont font partie la plupart des nanomatériaux. L’article ne sera pertinent que s’il est convainquant sur ce point.
Il faut aussi noter qu’une autre façon d’aborder les nanophases – autre que la recherche de nouvelles propriétés –, c’est le fait de les subir. Nous savons tous que les technologies tendent vers toujours plus de miniaturisation. Les composants de nos ordinateurs, nos téléphones, mais aussi des moteurs d’essuie-glace de nos véhicules (!) sont de plus en plus de faibles dimensions. Le passage à la nanophase a parfois pour effet de produire de nouveaux comportements. Ashby a montré dans les années 1970 pourquoi un objet métallique ductile devient fragile à très petites dimensions. En 1949, Taylor a observé que du verre de vitre à très petite taille devient plastique ! Il semble important pour le métallurgiste, et plus largement le spécialiste en science des matériaux, d’être conscient des effets de dimension sur les propriétés de la matière. Enfin, il faut prendre conscience que des nanophases sont présentes dans notre quotidien. La pollution atmosphérique la plus critique pour la santé est formée de nanoparticules.
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2. Définitions
Le préfixe nano- (10–9) fixe l’ordre de grandeur. On s’attend donc à trouver pour les nanomatériaux des dimensions d’éléments de matière de l’ordre de quelques 10–9 m. Il est intéressant d’examiner les échelles spatiales de différents « objets » qui nous entourent, de l’infiniment grand à l’infiniment petit : il y a presque 40 ordres de grandeur entre la taille de la voie lactée et celle d’un quark.
En réduisant le spectre, du domaine macro (notre espace) de quelques m à l’atomique 10–10 m, nous avons encore 10 ordres de grandeurs. Le domaine macro correspond aux objets que nous manipulons. Ceux-ci sont formés de matériaux eux-mêmes constitués de phases, de grains, de film, etc., dont les dimensions de microstructure se trouvent dans la gamme de plusieurs centaines de microns jusqu’à environ 1 μm pour les plus faibles (10–3 m à 10–6 m). C’est aussi la gamme de dimensions structurales accessible par les procédés classiques d’élaboration des matériaux. Il peut être déduit, un peu rapidement, que le domaine nano se situe quand l’on peut facilement utiliser le préfixe nano-, donc en-dessous du micron ou de quelques dixièmes de microns (quelques 100 nm à 1 nm).
Deux remarques se profilent à ce stade.
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La borne inférieure du domaine se situe à quelques nm. La matière qui nous intéresse ne subit pas de transformation structurale ou de changement d’état par effet de taille. En dessous du nm, nous entrons dans le domaine moléculaire : on observe alors la formation de clusters de structures atomique et électronique différentes de la matière, en raison de nouveaux équilibres entre énergie de surface et de volume. Pour ce qui nous intéresse, la phase est inchangée au niveau de sa structure cristalline et peu changée au niveau de sa structure électronique ; le cuivre est cubique à faces centrées, le titane hexagonal compact, etc. La borne supérieure, qui est la transition micro-nano, sera largement discutée dans ce qui suit.
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Le domaine nano se trouve sur moins de deux ordres de grandeurs, ce qui est très étroit. L’élaboration produit en général des distributions de taille de grains, de particules, etc. Dans le domaine micro, cette distribution affecte peu le comportement. Nous verrons que dans le domaine nano, le comportement peut...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ASHBY (M.F.) - The deformation of plastically non-homogeneous materials. - Philosophical Magazine, 21, p. 399‑424 (1970).
-
(2) - TAYLOR (E.W.) - Plastic Deformation of Optical Glass. - Nature, 63, p. 323 (1949).
-
(3) - CHAMPION (Y.), BRECHET (Y.) - Effect of Grain Size Reduction and Geometrical Confinement in Fine Grained Copper: Potential Applications as a Material for Reversible Electrical Contacts. - Advanced Engineering Materials, 12, p. 798‑802 (2010).
-
(4) - CHAMPION (Y.), LANGLOIS (C.), GUERIN-MAILLY (S.), LANGLOIS (P.), BONNENTIEN (J.L.), HYTCH (M.J.) - Near-perfect elastoplasticity in pure nanocrystalline copper. - Science, 300, p. 310‑311 (2003).
-
(5) - DUHAMEL (C.), BRECHET (Y.), CHAMPION (Y.) - Activation volume and deviation from Cottrell-Stokes law at small grain size. - International Journal of Plasticity, 26, p. 747‑757 (2010).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Matériaux architecturés élaborés par fabrication additive.
NORMES
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Nanotechnologies – Vocabulaire – Partie 1 : Lexique - ISO 80004-1 - 2023
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Nanomatériaux – Quantification de la libération de nano-objets par les poudres par production d’aérosols - ISO/TS 12025 - 2021
ANNEXES
Le niveau élevé de toxicité avéré des nanophases (comme les risques révélés de l’amiante) a contribué à l’établissement de réglementations, en particulier au travail et dans l’utilisation commerciale de nanophases. Depuis 2012, la déclaration de substances à l’état nano est obligatoire. Voir sur le site du code du travail « Les risques liés aux nanomatériaux » https://code.travail.gouv.fr/fiche-ministere-travail/nanomateriaux?q= Risques%20rayonnements
HAUT DE PAGE
National Center for Biotechnology Information, US1628190A. RANAY (M.). – Method of producing finely-divided nickel (1927).
HAUT DE PAGE3.1 Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche
Les travaux sur les nanophases ont été très nombreux des années 1980 à 2010....
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