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Les avancées de la nanotechnologie : les objets nanométriques

Dossier - La révolution des nanotechnologies
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Dans ce dossier sur les nanotechnologies, découvrez en détail les avancées en nanoscience dans le domaine de la physique, de la chimie, de la biologie et de la médecine. Vous y trouverez aussi une rapide approche des risques toxicologiques possibles, des problèmes sociétaux potentiellement induits et une vision de l'éthique envisageable.

  
DossiersLa révolution des nanotechnologies
 

Découvrez ici une avancée majeure de la nanotechnologie : la synthèse d'objets nanométriques et ses différentes techniques.

Depuis le début de leur mise au point, les techniques « champs proches » ont beaucoup évolué.

Surfaces nanométriques. © Victor Josan, Shutterstock

Microscopes et synthèse d'objets nanométriques : STM, AFM et PSTM

Avec le STM, il est possible de réaliser des cartographies électroniques des surfaces nanométriques ou de transférer des atomes de la pointe sur la surface pour réaliser des objets (îlots, fils...) nanométriques sur cette surface.

Avec l'AFM (Atomic Force Microscope) il est possible de réaliser des cartographies physiques (présence d'atomes conducteurs aussi bien qu'isolants) de ces mêmes surfaces. Avec les PSTM (Photons Scanning Tunneling Microscope), il est possible d'obtenir une analyse optique de la surface actuellement plutôt à l'échelle sub-micronique que véritablement nanométrique.

De plus il est possible de fonctionnaliser les pointes de telles façons à changer l'interaction avec le milieu. En aimantant la pointe d'un appareil « Technique Champ Proche », il est alors possible de réaliser une cartographie du magnétisme de la surface. En chauffant la pointe d'un AFM, on peut d'apporter très localement des gradients de température très élevés servant par exemple à réaliser des nano-explosions et d'en comprendre fondamentalement les processus. Enfin, en utilisant la pointe de l'AFM comme une « pipette », il est possible de faire descendre sur une surface des molécules et ainsi, en balayant avec la pointe de réaliser des fils nanométriques permettant des interconnections avec d'autres objets nanométriques déposés sur la surface (fig 1 et 2, [réf 4 et 5]). On obtient ainsi une maîtrise réellement effective de n'importe quel type d'interaction avec les surfaces permettant soit l'analyse de l'ensemble des propriétés physiques d'une surface soit une très grande capacité à fonctionnaliser cette surface.

Fig 1 : dépôt d’îlots nanométriques d’argent sur une surface de silicium par transfert depuis la pointe d’un STM.

Fig 1 : dépôt d’îlots nanométriques d’argent sur une surface de silicium par transfert depuis la pointe d’un STM.

Fig 2 : dépôt de molécules de thiols sur un substrat par transfert depuis la pointe d’un AFM.

Réalisation d'objets nanométriques à partir de matière macroscopique

Il est possible, bien sûr, de réaliser des objets nanométriques par des méthodes de synthèse plus « classiques », à partir de matière macroscopique. Ainsi, en utilisant une cellule à effusion, le laboratoire d'Alain Perez est capable de synthétiser des agrégats nanométriques.

Au moyen d'un spectromètre, les agrégats sont analysés en vol, sans interaction avec aucun substrat. On peut alors observer ces agrégats dans des structures cristallines variables inhabituelles dans les conditions standard sur un support. La particularité de ces objets nanométriques est leur rapport surface/volume, qui est très grand par rapport à un matériau massif. L'analyse en masse de ces agrégats montre qu'il a été obtenu des agrégats comprenant de 38 à 46.929 atomes.

Au-delà des effets de structures et de propriétés électroniques, on peut s'intéresser aux atomes de surface car ce sont eux qui vont régler le potentiel d'ionisation et surtout la réactivité chimique de l'agrégat. Pour un agrégat de 38 atomes, 32 atomes sont des atomes surface, soit 84 %. Pour un agrégat de 46.929 atomes, 5.882 atomes sont en surface soit 12 %. Il en résulte une capacité de réaction multiplier par 7 pour les objets les plus nanométriques et plus encore par rapport à la matière sous forme macroscopique (fig 3, réf [6]).

Fig 3 : agrégats de cobalt de 586 atomes présentant 272 atomes de surface (46 %).
Fig 4 : les différentes structures connues du carbone depuis la découverte des fullerènes.

Les structures nanométriques réalisées à base de carbone, les fullerènes et les nanotubes (fig 4 réf [7]), sont devenues les structures les plus étudiées des nanosciences. En utilisant la puissance d'un arc électrique, il est possible d'obtenir de nouvelles formes de carbone : les fullerènes réalisés à partir de 60 atomes associant 12 pentagones en forme de « ballon de football » et les nanotubes résultant d'une courbure des plans de graphite formant comme un « grillage enroulé » en monocouche ou multicouches. Une telle structure autorise un nombre très élevé de réactions de cyclo-addition permettant la fonctionnalisation de cette structure et conduisant à des propriétés originales physiques (mécanique, conduction électrique) et chimiques.

Les nanotubes, eux, peuvent se présenter en multifeuillets et/ou remplis (par capillarité ou directement lors de la synthèse par adjonction d'autres atomes, S, Cr, ...). De la même manière que pour les fullerènes nous avons ici la possibilité d'une fonctionnalisation de l'objet pour un renforcement de ses propriétés.

Des températures variables selon la taille des cristallites

L'échelle nanométrique a une influence aussi sur les caractéristiques physico-chimiques (phase, état) des composés. En effet, dans les conditions standard, un composé macroscopique possède des températures, de transition de phase ou d'état, données. En faisant varier la taille des nanocristallites composant la matière, il est alors possible d'avoir des températures, de transition de phase ou d'état, variables en fonction de la taille des cristallites.

Ces variations peuvent être très conséquentes et permettent l'apparition de phases ou d'états inattendus à des températures très basses : la température de transition de phase du BaTiO3 (fig 5, réf [8]) peut ainsi être abaissée de 130 °C à 20 °C en passant du massif à des nanocristallites de 100 nm et la température de fusion de l'or peut être baissée de 1.300 K à 300 K en passant du massif à des nanocristallites de taille de l'ordre de 25 nm (fig 6, réf [9]). Ces transitions obtenues à plus basses températures vont alors changer les propriétés physiques et chimiques (réactivité de surface et diffusivité par exemple) du composé.

Fig 5 : évolution de la température de transition de phase en fonction de la taille de particules de BaTiO3.
Fig 6 : évolution de la température de transition d’état en fonction de la taille de particules d’or.

Changer les propriétés physiques des objets nanométriques

De manière similaire, il sera possible de jouer sur la nature de la matrice dans laquelle se trouvent des objets nanométriques, pour changer les propriétés physiques de ceux-ci. Des nanocristallites d'argent d'une taille donnée (ici 26 nm), insérées dans une matrice, présentent une variation de leur spectre d'absorption en fonction du type de milieux les accueillant : l'énergie d'absorption varie alors de 2,5 eV à 3,5 eV suivant que la particule se trouve dans le vide ou l'alumine. La réaction à la lumière de ces composés sera donc très variable suivant le type de matrice dans laquelle ils seront insérés (fig 7, réf [10]).

Fig 7 : propriétés optiques (spectres d’absorption) pour des particules d’argent et d’or dans différentes matrices (1 : vide, 2 : eau, 3 : silice, 4 : alumine).

De la même façon, l'interaction d'objets nanométriques entre eux amène à des effets nouveaux. À partir d'un assemblage, ici de multicouches nanométriques de NiFe/Cu/Fe/Mn, il est possible d'observer le type d'effets suivants. En l'absence de champ (1), si on fait passer un courant à travers l'assemblage, les deux couches de NiFe sont passantes pour les électrons d'un spin donné, la résistance de l'assemblage est faible, le courant passe. Si on applique, à la surface du dispositif, un champ magnétique (2), le magnétisme de la couche de surface de NiFe bascule et elle devient bloquante ; le magnétisme de la couche profonde de NiFe ne change pas, bloquée par le magnétisme de la couche substrat de FeMn, les électrons (de spin inverse) ayant passé la première couche sont bloqués par la deuxième couche de NiFe de magnétisme inversé ; la résistance est grande, le courant ne passe pas. Cet effet d'interaction du magnétisme des couches avec le spin des électrons est appelé Spintronique (électronique de spin) utilisant l'effet de magnétorésistance géante générée par l'assemblage de couches. Il est alors possible d'interagir, à l'échelle nanométrique, avec le magnétisme du milieu extérieur (fig 8, réf [11]) : ces assemblages sont alors utilisés comme tête de lecture à très haute densité.

Fig 8 : propriétés magnétiques et électriques résultantes, d’une multicouche nanométrique présentant l’effet de magnétorésistance géante.

Vecteurs synthétiques : liposomes, nanosphères et nanoparticules

Les progrès en nanobiotechnologies sont aussi quotidiens. Dans le cadre de la vectorisation, des vecteurs synthétiques peuvent être réalisés : liposomes, nanosphères et nanoparticules.

Les liposomes sont des systèmes vésiculaires composés d'une ou de plusieurs bicouches de phospholipides lamellaires. Les nanosphères sont des particules formées d'une matrice polymère (fig 9, réf [12]). Les nanocapsules sont constituées d'un cœur aqueux ou huileux entouré d'une membrane polymère. Il est également possible de synthétiser des émulsions bicompartimentaux permettant le transport de molécules différenciées (fig 10, réf [13]).

Comme pour les nanoparticules, la très grande surface spécifique de ces objets permet une très forte interaction avec le milieu et notamment avec les protéines plasmatiques lors d'une administration par voie intraveineuse. Les applications de ces objets sont multiples et vont du traitement des infections intracellulaires à la thérapie génique en passant par cancérologie.

Fig 9 : liposomes (a), nanosphères (b) et nanocapsules (c).
Fig 10 : émulsion classique (a), objets bicompartimentaux (b).

Ces quelques exemples montrent la très grande variabilité de structures (phase, état, rapport surface/volume...), de propriétés physiques (électrique, magnétique, optique, mécanique...) aussi bien que de propriétés chimiques (réactivité, diffusivité, addition...) auxquelles la nanoparticule peut être soumise. Ainsi, en interaction avec le domaine du vivant, la nanoparticule pourra se comporter de manière « inattendue » par rapport à une substance macroscopique formée avec les mêmes atomes.

[4] Jean-Claude Labrune,
[5] Franck Palmino,
[6] Jean-Claude Bertolini,
[7] Annick Loiseau,
[8] Jean-Claude Niepce,
[9] Pierre Labastie,
[10] Fabrice Vallée,
[11] Dominique Givord,
[12] Didier Roux,
[13] Patrick Maestro