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Technologie

RouageLa famille des procédés Microwave Induced Thermohydrolyse Flash (MITFlash)

Le procédé MIT-Flash est la troisième génération de procédé d’élaboration de nanomatériaux développé par le Professeur D. Stuerga.

L’acronyme MIT signifiant Microwave Induced Thermohydrolysis. Si la totalité des trois générations repose sur les spécificités du chauffage microonde, les conditions opératoires chimiques sont relativement différentes. Les deux première génération relèvent de la thermohydrolyse tandis que la troisième génération peut être qualifiée de thermoéthanolyse.

Génération 1 :
La première génération utilise la thermohydrolyse en solution aqueuse. Les solutions initiales sont obtenues par dissolution du sel métallique dans une solution aqueuse acide. Le chauffage de ces solutions permet l’obtention directe de nanoparticules d’oxydes en une seule étape selon le schéma réactionnel type thermohydrolyse. Selon les métaux retenus, on utilise comme précurseurs des nitrates, chlorures ou sulfates. Les nitrates sont les plus avantageux en termes de solubilité et d’agressivité des solutions vis-à-vis des parties métalliques. L’utilisation de sels hydratés ne pose aucun problème.
Les possibilités sont réduites puisque le premier inconvénient majeur est l’impossibilité d’élaborer des oxydes de compositions complexes. Le second inconvénient majeur est la faiblesse des rendements et l’agressivité des solutions vis-à-vis des métaux, particulièrement dans le cas de l’utilisation de chlorure. Les solutions initiales sont acides (pH<1) et le deviennent d’autant plus que la durée du traitement microonde est importante. On obtient alors des solutions aqueuses d’acides chlorhydrique ou nitrique plusieurs fois molaires. Le troisième inconvénient est l’extension limitée de la zone de monodispersité et monocristallinité (domaine restreint de concentration des précurseurs et de pH). Enfin, le quatrième inconvénient est le caractère ionique très affirmé des solutions qui induisent des niveaux de conductivité électrique très élevés. Ceci est fortement préjudiciable au traitement microonde car les pertes diélectriques des solutions sont très élevées et compliquent l’application optimisée de l’énergie microonde sur les réacteurs.

Génération 2 :
Cette seconde voie de synthèse permet l’obtention d’oxydes métalliques simples ou complexes sous forme de nanocristaux monodispersés en tailles.
Les solutions initiales sont obtenues par dissolution du ou des sels métalliques dans l’éthanol en présence d’éthanolate de sodium. Ce mélange provoque la réaction préliminaire de préparation de ou des éthanolates des sels métalliques mis en solution. Cette réaction préliminaire ou première étape produit également du chlorure de sodium et de l’hydroxyde de sodium. Selon les métaux retenus, on utilise comme précurseurs des nitrates, chlorures ou sulfates.
Le chauffage du mélange permet l’obtention directe de particules d’oxydes simples ou complexes. La troisième étape est constituée de multiples lavages à l’éthanol et à l’eau qui sont nécessaires pour éliminer le chlorure de sodium et l’hydroxyde de sodium résultant des réactions de synthèse.
Le premier inconvénient majeur est la première étape. Elle correspond à la préparation du précurseur. Outre sa mise en œuvre qui complique le procédé, elle engendre dans le milieu réactionnel de fortes quantités de chlorure de sodium et d’hydroxyde de sodium. Ces produits imposent des lavages nombreux des poudres afin de garantir leur totale élimination de ces produits parasites. Cette phase de lavage ou isolement peut être considéré comme une troisième étape à part entière qui apparaît comme excessivement coûteuse en énergie et temps. De plus, la majorité des sels métalliques sont hydratés. Pour ceux-ci, on doit donc encore augmenter la quantité d’éthanolate de sodium, augmentant proportionnellement la quantité d’hydroxyde de sodium produit. Ces nombreux lavages ont pour conséquence une perte de l’oxyde produit. Les rendements de précipitation prenant en compte l’étape d’isolement sont donc relativement faibles (<50%).
Le second inconvénient est que beaucoup de sels métalliques n’existent que sous forme de chlorures qui posent souvent des problèmes de solubilité dans l’éthanol. Dans ce cas, la préparation du précurseur apparaît comme délicate voir même impossible. Elle conduit à des rendements très faibles.
Le troisième inconvénient découle directement du précédent. En effet, la présence de chlorure de sodium et ou de chlorures métalliques dans les solutions finales est fortement préjudiciables aux pièces métalliques.
Le quatrième inconvénient est identique à celui de la première génération. Le caractère ionique des solutions induit des niveaux de conductivité électrique très élevés qui sont fortement préjudiciables au traitement microonde.

Génération 3 :
Cette troisième génération, développée à partir de 2005, permet d’élaborer des clusters comme des nanomatériaux sans nécessité de laver le milieu (integral one step). On produit des espèces de types Polyoxometallates (POM) ou plus spécifiquement de Nano Building Blocks (NBB). Le domaine de taille des particules élémentaires est situé entre la dizaine d’Angstrom et quelques dizaines de nanomètres. Ces particules peuvent s’associer entre elles de manière spontanée ou contrôlée par l’ajout d’additifs comme des surfactants. Ces derniers peuvent favoriser la solubilisation des précurseurs initiaux et augmenter considérablement la stabilité des suspensions élaborées. Ce procédé peut être défini par une thermo éthanolyse flash induite par chauffage microonde ou (MITE-Flash ou Microwave Induced ThermoEthanolysis Flash).
Les intérêts et les atouts majeurs de ce procédé apparaissent à sept niveaux différents relatifs d’une part aux produits élaborés : composition, surface spécifique et taille moyenne, nature des produits élaborés, et d’autre part à la mise en œuvre du procédé : simplicité, nature des précurseurs et de l’amorçage,
Cette dernière génération a fait l’objet d’un brevet. Le premier atout de notre procédé en une étape est qu’il répond aux problématiques environnementales de réduction des coûts et des rejets polluants. En effet, le procédé ne génère pratiquement aucun produit secondaire ou parasite impliquant des procédures de purification et/ou de recyclages coûteuses. Le deuxième atout de notre procédé relève de l’aspect sécurité et toxicologique des nanomatériaux. En effet, l’éventuelle toxicité de ces derniers, particulièrement sous formes pulvérulentes, reste à ce jour une question ouverte. L’avantage de notre procédé est de produire directement en une étape unique (one-step) des suspensions, pâtes ou barbotines utilisables directement.
La manipulation et l’éventuelle dispersion des nanoparticules sont donc réduites au strict minimum garantissant une haute sécurité du procédé. Ces deux atouts confèrent un caractère de haute qualité environnementale à notre famille de procédé d’élaboration qui relève clairement de la ‘’Chimie verte’’.

Brevet

Un Brevet relatif à notre procédé d’élaboration de nanoparticules a été déposé en juillet 2007. L’extension PCT est en cours. L’Université de Bourgogne est le propriétaire de ce brevet et la société Naxagoras Technology bénéficie d’une licence exclusive d’exploitation. Les deux inventeurs sont M. D. Stuerga et C. Lohr. M. Lohr est dirigeant de la société et M. D. Stuerga bénéficie du statut de concours scientifique et technique, au sens défini par l’article 25-2 de la loi n°99-587 du 12 juillet 1999 sur l’innovation et la recherche.