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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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1. Intérêts scientifiques et technologiques de nouvelles phases
Pourquoi recherche-t-on de nouvelles phases, ou plus généralement de nouveaux matériaux ? La recherche et développement dans l’industrie, qui peut être accompagnée par les laboratoires académiques possédant une culture fondamentale et des moyens de mesure, de synthèse et de caractérisation, vise à l’amélioration de produits existants. On parle de recherche incrémentale, dont l’importance est notable au niveau économique, mais aussi écologique et énergétique.
Calculer les gains par l’amélioration de quelques pourcents de la conductivité électrique d’un alliage utilisé dans un produit électrotechnique.
On pourrait lui opposer une démarche en rupture, qui est la découverte de nouveaux matériaux. La démarche incrémentale est très active car elle ne demande pas de changement de la chaîne de valeurs industrielle (procédés, ressources, entretien, recyclage, etc.), ce qui n’est généralement pas le cas de la rupture. Pourtant, cette recherche est nécessaire à plusieurs titres :
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l’amélioration importante de performances, qui ne peut être obtenue par l’approche incrémentale ;
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de nouvelles propriétés ;
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de la multifonctionnalité : combinaisons de propriétés ou de nouvelles de propriétés ;
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sobriété énergétique du procédé de synthèse du nouveau matériau ;
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substitution d’éléments chimiques, parce qu’ils sont toxiques (recherche de matériaux plus propres) ou parce que l’approvisionnement en ressources est limité (situation géopolitique, pénurie, etc).
Ces aspects sont illustrés dans ce qui suit par deux exemples.
1.1 Cas d’un domaine de propriété : combiner ductilité et résistance mécanique
Les métallurgistes s’intéressent beaucoup aux propriétés mécaniques. On apprend très vite que pour une base métallique donnée (Fe, Al, Cu, etc.), le durcissement, quel que soit le moyen, produit une réduction d’allongement à rupture (baisse de ductilité). Le fer durci par l’ajout de moins de moins de 2 % massique de carbone donne l’acier, qui reste ductile. Au-delà de 2 %, on obtient la fonte, connue pour être très...
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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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