Actions des particules ultrafines (PUF) sur l’organisme : les nanomatériaux (NM)

Le nanomonde est le continent de l’infiniment petit, du domaine atomique, où les lois de la physique se modifient et évoluent vers celles de la mécanique quantique.

L’unité de mesure est le nanomètre. Le préfixe « nano » vient du grec et signifie « très petit ». Un nanomètre est un milliardième de mètre, soit 0,000 000 001 mètre (10^-9), un million de fois plus petit que le millimètre. Un nanomètre est 500 000 fois plus fin qu’un trait de stylo-bille, 50 000 fois plus fin que l’épaisseur d’un cheveu.

Le nanomonde est le domaine où la physique, la chimie et la biologie se rencontrent. Les nanotechnologies sont l’étude des matériaux et des technologies qui en découlent.

La figure suivante représentant le nanomonde montre que l’on se situe au niveau structural de la matière, et que l’on manipule des matériaux de tailles semblables à celle des virus et des petites protéines, dont l’ADN.

Le nanomonde

Que sont les nanomatériaux ?

Selon la définition de l’ISO, les nanomatériaux comprennent les nano-objets et les matériaux nanostructurés.

Le terme « nano-objets » désigne des matériaux ultrafins dont une au moins des dimensions est de taille nanométrique (inférieure à 0,1 micromètre soit 100 nanomètres, 100 nm). On distingue les nanoparticules (incluant les fullerènes sphériques), les nanofils (nanotubes et nanofibres) ainsi que les revêtements ultrafins.

Sont inclus aussi dans cette catégorie des nano-objets de taille supérieure à 100 nm qui acquièrent des propriétés physico-chimiques particulières en conséquence de la diminution de leur taille. La composition chimique de ces nano-objets est de nature minérale ou organique. Les nanoparticules peuvent être d’origine naturelle (poussières de sable, de fumée) ou d’origine industrielle.

Les nanofils sont des nano-objets longilignes dont les dimensions vont d’un nanomètre à quelques dizaines de nanomètres pour la section, et de 500 à 10 000 nanomètres pour la longueur.

Un fullerène est une structure composée de carbone pouvant prendre une forme rappelant celle d’une sphère, d’un ellipsoïde, d’un tube (appelé nanotube) ou d’un anneau. Les fullerènes sont similaires au graphite, composé de feuilles d’anneaux hexagonaux liés, mais contenant des anneaux pentagonaux et parfois heptagonaux, ce qui empêche la feuille d’être plate. Le fullerène C60 a une structure identique au dôme géodésique ou à un ballon de football. Des fullerènes de 70, 72, 76, 84 et même jusqu’à 100 atomes de carbone peuvent être synthétisés.

Les nanotubes sont des tubes creux enroulés en un ou plusieurs tubes concentriques (monofeuillet ou multifeuillets). Ils sont formés d’un réseau d’atomes de carbone disposés en réseau hexagonal, comme du graphène.

Les nanotubes monofeuillet peuvent avoir une longueur de plus de 5 microns (5 μm) pour un diamètre de 0,7 à 1,5 nm (appelés aussi Single Wall Carbon Nanotubes : SWCNT). Les nanotubes multifeuillets ont un diamètre de 2 à 50 nm (appelés aussi Multiple Wall Carbon Nanotubes : MWCNT). Il est possible de fabriquer des nanotubes de grande longueur.

Les nanotubes peuvent être constitués par d’autres éléments chimiques que le carbone pur : notamment des nanotubes de polystyrène et des nanotubes de PTFE (polytétrafluoréthylène) ou d’argent.

On peut citer aussi des bio-nano-objets qui sont une association entre des nano-objets d’origine organique ou minérale et des molécules biologiques.

La famille des nano-objets

La famille des nanomatériaux structurés

Caractérisation des nanomatériaux

Les propriétés des nanomatériaux sont liées à plusieurs paramètres physico-chimiques.

En ce qui concerne leur activité biologique, on distingue neuf paramètres principaux : la taille, la forme, la structure, la composition, la surface spécifique, l’état de surface, la distribution granulométrique des PUF, l’agglomération, et la concentration.

Chacun de ces paramètres peut avoir une influence sur la pénétration des nanomatériaux, leur distribution dans l’organisme, et leur effet biologique.

Par exemple :

• la forme – en bille (nanoparticule) ou en tube (nanotube), ou encore en une masse de particules collées entre elles (agglomérat, ou agrégat) – influence la pénétration des nanomatériaux dans les voies respiratoires (cf. Comment puis-je évaluer la toxicité d’une substance, à partir de ses propriétés physico-chimiques ?).
• l’état de surface, comportant des charges électriques, ou des ions métalliques, ou une contamination bactérienne, mais aussi une couverture de protéines (la corona), entraîne une réactivité différente vis-à-vis des cellules en contact avec les nanomatériaux.

Paramètres caractéristiques importants des nanomatériaux

Dans quelles applications sont utilisés les nanomatériaux ?

Les nanotechnologies touchent tous les secteurs. Les nanomatériaux sont utilisés dans tous les domaines de l’industrie et de la consommation. On peut citer l’énergie, l’industrie automobile, la construction, la chimie, les cosmétiques, les produits alimentaires, la médecine, la pharmacie, la phytopharmacie, les nano-bio-technologies, l’optique, les colorants, le textile, et les domaines de la défense et la sécurité.