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Nanomatériaux et nanotechnologie

Nanomatériaux et nanotechnologieL’idée fondatrice

Depuis une dizaine d’années, le préfixe « nano » est sans doute le plus en vogue dans les revues scientifiques. Chaque mois, des centaines de publications illustrent la fécondité de cette nouvelle thématique.

Le préfixe nano signifie nain en Grec. Si vous prenez 1 mètre et que vous le coupez en 1000 sections, vous obtenez des millimètres (0,001=10-3 m). Si vous le coupez en 1 millions de sections, vous obtenez des micromètres ou microns (10-6 m). Vous obtiendrez des nanomètres si vous le divisez en 1 milliards de sections (10-9 m).

La terminologie nanotechnologies regroupe l’ensemble des techniques qui permet de manipuler, de fabriquer, de déplacer, d’assembler des matériaux, des objets ou des systèmes fonctionnels à l’échelle du nanomètre, c'est-à-dire du milliardième de mètre. Il existe deux approches : descendante ou top-down qui consiste à faire du petit à partir du grand et l’autre montante ou bottom-up ou qui consiste à construire des objets par assemblage d’atomes ou de molécules. La première approche a particulièrement été développée par la microélectronique
A la pointe de la science et de la technologie, les nanosciences et les nanotechnologies offrent des opportunités, sans précédent pour les chercheurs, comme pour les entreprises et les investisseurs. Les nanotechnologies sont suffisamment mûres pour engendrer des bouleversements de la société d’une ampleur difficilement prévisibles dans les domaines techniques comme économiques et sociaux. Les premiers éléments à notre disposition, particulièrement les niveaux d’investissements, les taux de création de start’up et spin-off ainsi que les prises de brevets laissent penser que ces bouleversements seront au moins équivalent à ceux engendrés par les révolutions industrielles, mécaniques et informatiques des deux siècles précédents, et ceci dans une période probablement beaucoup plus courte. Toutes les études d’impacts sectoriels s’accordent sur le fait que toutes les branches de la société seront touchées par la déferlante des nanotechnologies.

La révolution des nanotechnologies a-t-elle commencé ?

Si la grande majorité des prévisionnistes économiques considèrent que le breakthrough (première percée majeure) des nanotechnologies n’est pas encore atteint, la révolution des nanotechnologies est déjà amorcée dans la zone Pacifique, en Asie et plus particulièrement au Japon. On peut faire une parallèle avec une autre aventure technologique, celle des bombes nucléaires. Dans ce cas, nous nous situerions certainement dans les années 30. Le principe théorique est acquis prouvant la faisabilité. Toutefois, il reste de nombreux problèmes technologiques complexes de mise en œuvre à échelle industrielle et commerciale et la procédure exacte pour arriver au but n’est pas parfaitement connue. De plus, les efforts et les moyens à mettre en œuvre sont uniquement supputés.

Et les Nanomatériaux ?

Si les médias évoquent régulièrement les nanotechnologies, ils restent muets sur la thématique des nanomatériaux. Dans le vaste domaine en pleine expansion des nanotechnologies, les nanomatériaux occupent une place particulière puisqu’ils n’ont pas eu besoin des outils de manipulation à l’échelle atomique de la microélectronique pour se développer. La physico-chimie fait bien les choses dans certains cas, en permettant de construire de manière contrôlée des édifices et des structures à partir d’atomes ou de molécules (démarche bottom-up). Les nanomatériaux sont constitués de nanoparticules isolées ou associées de tailles comprises entre 1 et 100 nm. Des propriétés originales et spécifiques résultent de cet état extrême de division ou de petite taille qui maximise le ratio surface/volume. Les effets de surface sont exacerbés avec éventuellement l’émergence d’effets quantiques affectant considérablement les propriétés optiques, électriques, magnétiques et mécaniques.
La richesse principale de ces nouveaux matériaux est d’ouvrir des perspectives extrêmement larges en termes de matériaux de grande diffusion sans rester confinées à des applications spécifiques. Grâce à leurs propriétés spécifiques et originales, les nanomatériaux confèrent des fonctions nouvelles et innovantes à de nombreux produits traditionnels. On peut percevoir les vecteurs de l’innovation du futur dans des domaines aussi stratégiques que l’énergie, l’environnement et la santé. Toutefois, les secteurs industriels concernés par les nanomatériaux sont relativement différents de ceux relatifs aux nanotechnologies. Les secteurs les plus concernés sont ceux des revêtements au sens large en incluant les peintures, vernis et dépôts fonctionnels et ceux de la plasturgie. 

Les Verrous et Freins au développement

Les développements industriels et commerciaux des nanomatériaux impliquent la maîtrise des processus de production et la valorisation des propriétés d’usage. Les verrous qu’il est nécessaire de lever sont présentés par ordre de préséance dans la suite.

Verrous n°1 : Les procédés de production
Le premier verrou aux développements industriels et commerciaux est relatif aux procédés de production. Si la littérature scientifique est abondante sur les méthodes de synthèse de nanomatériaux au laboratoire, la transposition de ces dernières à l’échelle du kilogramme reste encore réellement problématique. La plus-part du temps, la montée en échelle des procédés est bloquée par le nombre et ou la complexité des étapes à mettre en œuvre. L’ampleur des blocages est en lien direct avec la qualité des nanomatériaux souhaités, à savoir au premier niveau le contrôle de la taille et de la distribution en taille et au second niveau le contrôle de la composition.

Verrous n°2 : Offres commerciales et formulation
Le second verrou aux développements industriels et commerciaux est relatif à la formulation des nanomatériaux. En effet, une offre commerciale doit s’adapter aux usages du secteur concerné. En d’autres termes, les nanomatériaux doivent facilement être intégrables grâce à une formulation adaptée. La grande majorité des produits nanométriques disponibles proposée sous des formes pulvérulentes, aussi bien au niveau des laboratoires qu’au niveau commercial. Initialement, cet état de fait résulte de contraintes scientifiques et technologiques propres, en partie, à l’état nanométrique. Toutefois, cet argumentaire ne peut justifier intégralement cet état de fait. Les poudres sont également imposées par des aspects culturels et historiques. En effet, les additifs, les bases actives et les principes actifs sont principalement sous forme pulvérulentes. Historiquement, culturellement, et indépendamment de l’état nanométrique, les procédés de formulation et d’intégration d’additifs inorganiques, comme les oxydes ou les métaux, imposent l’état solide, donc les poudres. L’intégration dans un milieu liquide de ces nanopoudres ou nanomatériaux pulvérulents est réellement problématique.
La première cause est la surface spécifique ou rapport surface sur volume qui augmente considérablement lorsque la taille des particules diminue. Dans le cas de particules réellement de taille nanométrique, cette surface spécifique est proche de 200 m2/g. Plus la surface spécifique est élevée, plus la dispersion de cette nanopoudre dans un milieu fluide (solvant, monomère, polymère) sera compromise, voir impossible dans le cas de viscosité élevée. L’ajout d’agents surfactant en quantité égale à la nanopoudre ne suffira pas. Dans les situations les plus favorables, on dispersera des aggrégats de taille beaucoup plus grande que celle des particules de départ. L’effet nanomètrique n’est pas au rendez-vous.
La seconde cause est beaucoup plus grave. En effet, la pulvérulence implique inévitablement une agrégation ou une agglomération d’autant plus importante que la taille des particules de base est nanométrique et que la surface spécifique est élevée. La nuance entre ces deux terminologies est le caractère réversible de ces processus d’association des unités élémentaires. La nanopoudre est alors constituée de particules secondaires majoritairement microniques. La dispersion sera facilitée, mais on dispersera des aggrégats ou agglomérats.
Les nanopoudres sont difficilement utilisables tel quelle. Une formulation totalement innovante et adaptée à chaque secteur est obligatoire. Elle apparaît aujourd’hui comme le verrou à une utilisation industrielle et commerciale de ces produits, particulièrement dans les secteurs des peintures, revêtements et de la plasturgie aussi bien en extrusion qu’en injection.

Verrous n°3 : Validation et valorisation des propriétés d’usages
Le troisième verrou aux développements industriels et commerciaux est la validation et la valorisation des fonctions et propriétés d’usage. En effet, le caractère innovant des fonctionnalités implique obligatoirement de redéfinir les tests normalisés caractéristiques de chaque secteur. On peut citer l’exemple des fonctionnalités activables par les ultra-violets. Dans ce cas particulier, l’intégration des sources ultra-violettes implique une refonte intégrale des tests normalisés nationaux et européens. Cette démarche implique des investissements conséquents et longs à mettre en place.

Verrous n°4: Toxicologie et nanorisque
Le quatrième verrou aux développements industriels et commerciaux est relatif aux aspects sécurité et toxicologique des nanomatériaux. L’éventuelle toxicité de ces derniers, particulièrement sous formes pulvérulentes, reste à ce jour une question ouverte. En effet, leurs niveaux de taille facilitent leur dispersion, et donc leur absorption par certaines muqueuses (poumon, peau). De nombreuses études toxicologiques sont en cours au niveau national et international. La production et la mise en œuvre de ces matériaux devra obligatoirement prendre en compte cette problématique afin de limiter au maximum le risque éventuel pour les producteurs et les utilisateurs. Dans les biens de consommations finaux, la preuve de non-relarguage des additifs nanométriques devra être démontrée.

Verrous n°5 : Aspects économiques
Le quatrième verrou aux développements industriels et commerciaux est relatif à l’aspect économique. En effet, contrairement à l’idée reçue commune qui veut que le prix d’un produit innovant soit totalement libre, l’intégration des nanomatériaux ne doit pas engendrer de surcoûts conséquents. Dans le secteur de la plasturgie ou des peintures et vernis le seuil du surcoût psychologique est toujours inférieur à 25% du prix. Il est donc indispensable de proposer des additifs à haute activité pour minimiser les taux d’insertion dans les matrices.

En résumé, les développements industriels et commerciaux des nanomatériaux imposent des procédés de productions propres à échelle industrielle. Ces procédés doivent conduire à des additifs formulés et prêts à l’emploi pour chaque secteur concerné avec des surcouts d’intégration minimes.