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L'infiniment petit les rend plus costauds

MURIEL DE VÉRICOURT

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« Moins, c'est plus. » Le célèbre adage de l'architecte Ludwig Mies Van der Rohe prend corps avec la révolution promise par les nanomatériaux ! Utiliser moins de matière pour obtenir de meilleures performances : ce rêve devient réalité dans les labos. Et inspire les industriels dans de nombreux domaines. Des éoliennes aux articles de sport en passant par les batteries, les écrans plats, les peintures ou les textiles, découvrez l'univers des produits qui ont déjà adopté les nanos.

Ne vous fiez pas à leur préfixe ! Ils ont beau se faire tout petits, les nanomatériaux jouent bien dans la cour des grands. Résistance mécanique hors norme, conductivité électrique spectaculaire, capacité à braver le feu, à dépolluer l'air, à éliminer les microbes : ils représentent une inépuisable source d'inspiration pour doper les performances des matériaux traditionnels. Qu'il s'agisse d'ajouter des nano-objets au sein d'une matrice, de déposer en surface un revêtement d'épaisseur nanométrique ou encore de parfaire l'agencement des éléments d'une matière, travailler à l'échelle du milliardième de mètre engendre souvent une spectaculaire rupture en termes de performances. En diminuant la taille, on augmente le rapport surface/volume. Pour certaines applications, cela permet de réduire la quantité de matière utilisée tout en obtenant les mêmes résultats. La nanomanipulation permet aussi de travailler dans un monde où ce sont les lois de la physique quantique qui régissent les comportements de la matière. Elles expliquent les ruptures de comportement entre un matériau à l'échelle macroscopique et son équivalent nanométrique.

Une arme de choix pour faire maigrir les automobiles

Ces atouts, les scientifiques et les industriels ont pu commencer à les appréhender et à les mettre à profit depuis l'invention du microscope à effet tunnel en 1981. Cet instrument leur a ouvert les portes du nanomonde et il a été à l'origine d'une foule de recherches et d'applications. Certaines industries ont d'ailleurs franchi le pas depuis longtemps. Le secteur des pneumatiques utilisait des nanomatériaux sans le savoir avant même que le terme n'existe (lire chronologie ci-dessous). Aujourd'hui, les recherches sur les potentialités des nanocomposites mobilisent les pneumaticiens, à l'instar du groupe Pirelli pneumatiques. « Dans certains de nos produits, qui commencent à être commercialisés en Europe, nous avons introduit des nanoargiles qui améliorent l'imperméabilité. Pour d'autres applications, nous nous intéressons aussi de près aux nanotubes de carbone mais contrairement aux nanoargiles et aux nano-oxydes métalliques, ces matériaux sont très coûteux », indique le directeur recherche et développement, Maurizio Boiocchi.

Du côté des moteurs, les nanotubes de carbone peuvent être utilisés pour leur propriété antistatique, afin d'éviter les risques d'inflammation. « Nous proposons un produit à base de nanotubes de carbone (NTC) dans une matrice polyamide pour améliorer la conductivité électrique. Les fonctionnalités sont équivalentes à celles de produits chargés en noir de carbone mais on en met moins, donc on altère moins les propriétés mécaniques », indique Didier Beaudoux, responsable du laboratoire du producteur de matières plastiques Ad majoris. Les NTC pourraient aussi devenir une arme de choix dans la chasse aux kilogrammes lancée par les industriels de l'automobile ou de l'aéronautique. Le recours aux nanocomposites permettrait de maintenir la résistance mécanique tout en perdant du poids... Mais, même en faisant abstraction des temps de développement nécessaires à la validation de ces technologies, les prix restent dissuasifs pour les industriels. La facture oscille de 60 à 100 euros le kilogramme de nanotubes de carbone... et rend prudents les constructeurs.

Même prudence dans l'éolien, souvent cité comme un secteur d'application potentiel, notamment pour booster la résistance mécanique des pales d'éoliennes géantes. « Les propriétés mécaniques des nanotubes de carbone sont très intéressantes, leur coût l'est nettement moins », tranche Ian Chatting, vice-président en charge des systèmes aéromécaniques au sein de la R&D de Vestas. Le groupe travaille donc à la possibilité de les utiliser, mais en combinaison avec d'autres nanomatériaux moins coûteux. « Plus généralement, nous nous intéressons à peu près à toutes les familles de nanomatériaux : pour des applications qui vont du renforcement mécanique à l'amélioration des performances des lubrifiants en passant par la réalisation de nanocapteurs ou l'optimisation des propriétés électriques de certaines pièces », précise Ian Chatting.

D'autres secteurs de l'énergie s'intéressent aux nanotechnologies. C'est le cas des scientifiques qui travaillent à la mise au point des piles à combustible et cherchent, entre autres, à réduire la quantité de platine utilisé comme catalyseur en recourant à des nanoparticules ou des nanofils. Du côté des fabricants de panneaux solaires photovoltaïques aussi, plusieurs voies sont explorées à l'échelle 10-9. À commencer par la technique émergente du silicium nanocristallin, qui permet d'améliorer les rendements grâce à l'absorption d'une partie du rayonnement infrarouge, mais aussi les cellules micromorphes, qui visent à combiner le silicium monocristallin à un nanorevêtement de silicium amorphe. À plus long terme, on pourrait même voir apparaître des nanofils de silicium entourés de dioxyde de titane, capables de piéger toute la lumière incidente sans la réfléchir. D'autres travaux portent sur l'optimisation de la structure nanométrique de la surface des panneaux, pour mieux capter le soleil.

Des nanoargiles pour lutter contre le feu

S'intéresser à la structure du matériau pour en maîtriser les propriétés : cette approche a également inspiré Nexans. « Nous commercialisons depuis 2003 des câbles électriques dont les isolants sont chargés en nanoargiles. Ils forment une croûte capable de ralentir la progression du feu en cas d'incendie. Pour pouvoir proposer des produits qui non seulement ne brûlent pas mais en plus continuent à fonctionner malgré le feu, nous avons travaillé sur les réactions chimiques entre la matrice polyoléfine et les nanoparticules. Ces réactions gouvernent la structure interne de la céramique créée par les charges lors d'un incendie, donc la capacité de fonctionnement du câble malgré le feu », explique Jérôme Fournier, le responsable du centre de recherches de Nexans.

Dans le domaine de l'électronique, les promesses des nanomatériaux se déploient tous azimuts. Outre les recherches de longue haleine qui envisagent la substitution du silicium des circuits intégrés par du carbone (nanotubes ou graphène), le carbone nanométrique se porte aussi candidat pour remplacer les électrodes ITO (oxyde d'indium et étain) des écrans plats et des systèmes d'éclairage Oled. Autre piste : « Les luminophores de taille nanométrique présentent une propriété remarquable : la longueur d'onde d'émission dépend de la taille. Cela permet donc d'utiliser un seul matériau pour obtenir plusieurs couleurs, en faisant varier la taille par des techniques chimiques en milieu liquide », souligne Olivier Renard, spécialiste du sujet au CEA. La société Nanosys, essaimée du MIT, espère pouvoir utiliser cette technologie dans des écrans d'affichage et annonce des partenariats avec LG.

C'est également à partir de travaux destinés initialement à l'amélioration des écrans plats que Vu Thien Binh, du laboratoire de physique de la matière condensée et nano-structures a mis au point une technologie qui permettrait le développement d'appareils portatifs de traitement des cancers par radiothérapie ! Le principe : générer un faisceau d'électrons extraits de nanoperles de carbone. « La dimension visée est d'une dizaine de centimètres. D'ici cinq à dix ans, on peut même envisager des systèmes de ce type de quelques millimètres, qui pourraient être placés à l'intérieur de certains organes », indique le chercheur, qui travaille en collaboration avec la société canadienne Nanomed. Dans le secteur de la médecine, les applications des nanomatériaux concernent aussi la mise au point de matériaux biocompatibles plus performants pour des prothèses.

Du côté des produits grand public, les nanomatériaux sont d'ores et déjà bien présents, par exemple dans des peintures qui promettent d'améliorer la qualité de l'air intérieur grâce aux propriétés photocatalytiques du dioxyde de titane ou encore dans des articles de sport renforcés par des nanotubes de carbone ou encore dans les produits cosmétiques. Autant dire que la déferlante semble ne devoir exclure aucun champ d'application ! Charge aux industriels de prendre leurs marques dans la jungle du nanomonde. À eux de repérer, dans leur domaine, loin des peurs ou des fantasmes, les innovations véritablement utiles, celles qui promettent d'authentiques ruptures technologiques.

DÉVELOPPEMENT

15 % des produits manufacturés dans le monde pourraient intégrer des nanotechnologies en 2014. (Étude Lux Research).

LES DÉCOUVERTES S'ACCÉLÈRENT

1917 Le noir de carbone. Michelin en introduit dans ses pneus pour améliorer leur longévité. On découvrira plus tard que des nanoparticules sont formées lors de la synthèse du noir de carbone. 1981 Le microscope à effet tunnel est inventé par deux chercheurs d'IBM. Il permet de voir à l'échelle nano. 1985 Le fullerène est découvert. Ce « ballon de foot » nanométrique est formé de 60 atomes de carbone. 1991 Les nanotubes de carbone sont inventés par un chercheur japonais. 2001 Le transistor à nanotubes. Grâce à lui, IBM promet d'améliorer les performances des modèles utilisant du silicium. 2003 Le dioxyde de titane. Premières applications de cette nanoparticule pour dépolluer l'air intérieur. 2004 Le graphène est une « feuille » de carbone de l'épaisseur d'un atome créée par une équipe britannique. 2005 L'écran plat à nanotubes de carbone est présenté par Applied Nanotech. 2006 L'aluminium nanostructuré est développé par Metcomb, fournisseur de mousses métalliques pour l'automobile, la construction et l'aérospatial. 2009 Les câbles dopés aux nanoparticules d'argile sont commercialisés par Nexans. Ils sont capables de remplir leur fonction pendant 1h30 malgré une température de 1 000 °C.

ALAIN PETIT RESPONSABLE FORMULATION ET PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE, LAFARGE PLÂTRES«Personne n'a envie d'un nouveau scandale amiante»

« Chez Lafarge, nous nous tenons au courant des avancées des nanosciences et nanotechnologies, mais nous gardons pour l'instant une position d'observateur. Manifestement, les nanomatériaux seront incontournables dans de très nombreux secteurs. La question que se posent les industriels est : que va-t-on en faire ? Ces matériaux vont sans aucun doute se répandre tous azimuts, mais c'est difficile aujourd'hui de prédire pour quelles applications ! Dans le bâtiment, personne n'a envie de se retrouver avec un nouveau scandale amiante. À mon avis, c'est pour cette raison que beaucoup d'utilisations proposées aujourd'hui, comme les propriétés de photocatalyse de certains revêtements muraux ou le renforcement d'articles de sport, sont un peu marginales : dans un premier temps, les industriels cherchent à voir ce que donnent ces produits. »

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