Utilisation des matériaux de référence en nanométrologie
Matériaux de référence pour la nanométrologie - État des lieux

L’intérêt qui persiste autour des nanomatériaux, et le vaste champ d’applications que l’on peut en attendre, s’expliquent par la forte dépendance des propriétés physicochimiques d’objets, dont la dimension est comprise entre 1 et 100 nm, avec ses caractéristiques dimensionnelles (taille et morphologie). Ainsi, pour chaque propriété fonctionnelle souhaitée (électronique, magnétique, optique, thermodynamique, mécanique, etc.) associée à une application particulière (tous les secteurs d’activité sont concernés), il est possible de concevoir un nanomatériau spécifique. L’ensemble des acteurs impliqués dans ce domaine s’accorde sur le fait que le développement d’une métrologie et d’une instrumentation adaptées au domaine nanométrique (1 nm–100 nm) aurait un effet « catalyseur » sur le développement global des nanotechnologies.

L’ensemble de la chaîne de valeur liée à la production et à l’utilisation des nanomatériaux et nanotechnologies est concernée par la mesure, de la recherche fondamentale aux lignes de production en passant par les équipes engagées dans les études de l’impact de ces matériaux sur la santé et sur l’environnement. Toute la filière a donc besoin de données fiables, de méthodes de caractérisation robustes et reproductibles et de confiance dans les résultats de mesure.

La mesure joue tout d’abord un rôle crucial dans le domaine de la recherche fondamentale en permettant d’accroître les connaissances sur les propriétés des nanomatériaux afin de mieux comprendre la corrélation qui existe entre, d’une part, les paramètres physicochimiques des nano-objets et, d’autre part, les propriétés physiques nouvelles qui apparaissent à ces échelles nanométriques. Ensuite, les industriels qui produisent ces nanomatériaux attendent des outils précis pour un meilleur contrôle des processus de fabrication et une amélioration de leur système qualité. En outre, le passage du laboratoire à l’échelle industrielle (la montée en échelle, scale up) reste une étape délicate pour le développement des nanomatériaux, car les méthodes de synthèse sont souvent spécifiques et particulières. De plus, il est déterminant de conserver les caractéristiques précises des nano-objets élaborés en laboratoire, afin d’en conserver les propriétés à toutes les étapes de l’industrialisation. Cette surveillance passe par la mise en œuvre de méthode de mesurage capable de fournir des mesures exactes, c’est-à-dire, à la fois justes et fidèles (voir § 3).

D’ores et déjà, de nombreux produits industriels contenant des nanomatériaux sont sur le marché, et leur nombre ne cesse de croître. Par conséquent, afin d’améliorer l’acceptabilité de ces nanoproduits par le consommateur et le citoyen, il est nécessaire de renforcer les études d’impact de ces matériaux à l’échelle nanométrique sur la santé humaine ou l’environnement. Dans le même temps, un certain nombre de réglementations, parfois sectorielles (cosmétique, alimentaire, biocide, dispositifs médicaux), se mettent en place en France et en Europe afin de réguler la mise sur le marché des nanoproduits . De nombreux rapports insistent sur la nécessité de mettre en place des méthodes de mesure et de caractérisation harmonisées . Les besoins couvrent l’instrumentation, les matériaux de référence, les protocoles, l’étalonnage et la formation.

La nanométrologie est la science de la mesure dans le domaine nanométrique. À l’instar de la métrologie classique, ses missions sont multiples :

• garantir la mise en place de la chaîne de traçabilité afin d’assurer la comparabilité des mesures ;

• disséminer les valeurs de référence au sein du tissu industriel national et du réseau des laboratoires ;

• développer l’instrumentation nouvelle adaptée à l’échelle nanométrique ;

• harmoniser les méthodes de mesure ;

• organiser les intercomparaisons entre laboratoires ;

• évaluer les incertitudes associées aux techniques de mesure ;

• fournir des matériaux de référence.

Cependant, la mesure des propriétés de nanomatériaux est une tâche difficile. En effet, il existe, par exemple, une multitude d’instruments capables de mesurer la taille d’une nanoparticule (NP). La technique de caractérisation dimensionnelle sera différente, si les mesures sont réalisées sur des poudres, dans des suspensions ou dans un aérosol. Les principes physiques liés à ces techniques sont très variés, ce qui implique que les mesurandes (grandeur que l’on veut mesurer) sont souvent difficilement comparables et ce qui explique la mise en place de chaîne de traçabilité particulière. La nanométrologie n’atteindra sa maturité que lorsque les méthodes de caractérisation seront harmonisées, que les chaînes de traçabilité seront établies pour toutes les grandeurs et que des incertitudes soient associées à toutes les techniques utilisées.

Cela passe, en premier lieu, par le développement de matériaux de référence (MR) dont le nombre limité sur le marché freine considérablement les progrès en nanométrologie. Comme nous allons le voir dans cet article, l’utilisation de MR est nécessaire pour mener à bien chaque mission du métrologue. La diversification de tels matériaux, dont la stabilité et l’homogénéité ont été étudiées et quantifiées, associée parfois à des valeurs certifiées, facilitera l’harmonisation des méthodes qui passe par leur validation, l’évaluation des incertitudes et permettra de multiplier les exercices d’intercomparaisons qui ont pour objectif d’échanger et de comparer des données de mesures au niveau international. Le manque d’étalons de transfert et de matériaux de référence a été souligné dans de nombreux rapports et article depuis 2010 -.

Par ailleurs, au-delà de leur utilité directe pour assurer la traçabilité métrologique, et donc la comparabilité des résultats de mesure, les MR permettent également de valider des méthodes de mesures pour l’ensemble des acteurs du domaine. Le MR est donc un élément essentiel pour renforcer la confiance que l’on accorde aux données de mesure.

Dans le domaine des nanomatériaux et nanotechnologies, les deux secteurs industriels qui dominent, avec des attentes et des investissements importants, et dans lesquels le besoin de nanométrogie est le plus prégnant sont :

• le secteur de la production des nano-objets (nanoparticules, nanotubes, nanoplaquettes) ;

• la nanoélectronique.

Dans cet article, nous nous focaliserons sur ces deux secteurs.

Les nanoparticules se retrouvent dans de nombreux produits de consommation courante. Dans le secteur alimentaire, elles sont utilisées comme colorant, exhausteur de goût ou anti-agglomérant. Dans les cosmétiques, elles permettent par exemple d’obtenir des couleurs brillantes ou profondes, d’augmenter le niveau de protection solaire sans colorer la peau ou d’améliorer la texture des crèmes. Elles sont utilisées aussi comme revêtements, dans des peintures, des solvants, ou des diluants. Dans le secteur du BTP, elles sont introduites dans des ciments ou des revêtements autonettoyants. Elles suscitent de grands espoirs en médecine pour la lutte contre le cancer, pour améliorer le contraste en imagerie médicale ou pour vectoriser certains médicaments. Mais, la métrologie des nanoparticules est bien plus complexe que celle des molécules, car les paramètres qui les définissent et permettent de les identifier sont nombreux.

La micro/nanoélectronique fait l’objet d’investissements colossaux depuis des décennies et la course folle dans la performance des microprocesseurs passe par une miniaturisation continue des transistors. Les dimensions des éléments qui constituent le cœur des microprocesseurs sont depuis longtemps inférieures à 100 nm et ces objets rentrent, par conséquent, dans le domaine des nanotechnologies. L’abandon de la politique du « tout silicium » impose le développement d’une métrologie de haut niveau avec un besoin croissant de matériaux et de structures de référence.