Propriétés des nano-objets - Longueurs critiques, effets de taille et de forme

La réduction de taille d'un objet vers des dimensions nanométriques modifie quantitativement et qualitativement ses propriétés. C’est pourquoi, alors que les propriétés d’un matériau macroscopique ne dépendent que de sa structure et de sa composition, les propriétés d'un nano-objet résultent également de sa taille et de sa forme. Ainsi, si aux échelles usuelles, l'ingénieur doit, pour obtenir des propriétés spécifiques, rechercher la composition chimique puis la structure cristallographique idéales, à l'échelle nanométrique le même ingénieur dispose des variables supplémentaires que sont la taille et la forme de l'objet. L'espace des paramètres accessibles ainsi augmenté est à l’origine de nombreuses applications potentielles. Il n’existe cependant pas de règle universelle permettant de prédire en dessous de quelle taille critique les propriétés d’un nano-objet diffèrent de celles du même matériau massif à partir duquel il a été formé. Dans le cas des matériaux hétérogènes, composés de domaines ou de grains, la taille critique est celle d’un domaine. Pour les matériaux homogènes, toute propriété étant caractérisée par une (ou plusieurs) longueurs caractéristiques, un nano-objet doit avoir une taille critique de l’ordre de grandeur ou plus petite que cette longueur caractéristique pour que ses propriétés diffèrent de celles du matériau massif.

L’objectif de cet article est, sans prétendre à l’exhaustivité, d’analyser les propriétés mécaniques, électroniques, optiques, magnétiques, de transport et thermodynamiques des nano-objets en prêtant une attention particulière aux longueurs caractéristiques des propriétés étudiées et ainsi mettre en exergue les tailles critiques en dessous desquelles les nano-objets peuvent présenter des propriétés spécifiques liées à leur taille mais aussi à leur forme. Une attention particulière est portée aux nanoparticules, aux films ultra minces et matériaux bidimensionnels ainsi qu’aux nanofils ou nanotubes qui sont des nano-objets présentant une dimension nanométrique dans respectivement trois, deux ou une direction. Les matériaux nanostructurés ou nanocomposites qui, bien que de dimensions macroscopiques, peuvent présenter des propriétés nouvelles induites par leur structuration à l’échelle nanométrique, sont également évoqués.

Afin de faciliter la lecture, chaque section dédiée à une propriété est précédée d’un rappel succinct (dans un encart) suivie d’une définition des longueurs caractéristiques associées. Les principaux effets de taille et de forme sur les propriétés de nano-objets de taille inférieure à ces tailles critiques sont alors décrits et quelques exemples d’applications présentés.