Nanomatériaux - Structure et élaboration

Les propriétés des matériaux cristallins, métalliques ou céramiques, varient, souvent fortement, avec la taille des grains, ce dont les ingénieurs ont depuis longtemps fait usage lorsqu’il s’est agi par exemple d’améliorer la limite élastique et les propriétés de rupture, ou encore le comportement ferromagnétique. Ces variations ont été longtemps limitées par les technologies d’élaboration des matériaux dont les tailles de grain restaient supérieures au micromètre.

Depuis un demi-siècle environ, sont apparues des techniques nouvelles de refroidissement rapide, de chimie dite douce, techniques sol-gel par exemple, qui permettent d’accéder à des tailles de grain beaucoup plus faibles car elles réduisent ou suppriment le maintien du matériau aux températures auxquelles peut se produire la croissance des grains, ou encore des méthodes de production sous arc électrique, sous laser ou sous plasma de matériaux particulaires de très petite taille.

Dès lors, il a été possible de réduire les tailles de grain à des dimensions de l’ordre des tailles caractéristiques des défauts qui gouvernent certaines propriétés comme les dislocations (propriétés mécaniques) ou les parois de Bloch (propriétés ferromagnétiques), ou encore de phénomènes qui n’interviennent qu’à l’échelle du nanomètre ou en dessous (effet tunnel, effets de « confinement » lorsque la taille des particules est inférieure à la longueur d’onde des particules — électrons, photons... — qui interviennent dans le phénomène étudié). Ces dimensions, selon les cas, varient entre quelques nanomètres et 100 nanomètres.

Dans cet article on se propose de passer en revue la structure et les modes d’élaboration des matériaux pour lesquels une phase au moins, déterminante pour certaines propriétés, a des dimensions inférieures à 100 nanomètres.