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Les matériaux nanostructurés
Définition
Les nanomatériaux sont constitués de grains contenant au plus quelques dizaines de milliers d’atomes, dont une dimension au moins ne dépasse pas 100 nm. La notion de nanomatériau est apparue lorsque les céramistes et les métallurgistes ont remarqué que l’affinement de la microstructure de leurs matériaux donnait lieu à des propriétés améliorées et différentes de celles des matériaux à grains micrométriques (Marc Depuis,2001).
Il existe trois explications majeures à l’intérêt croissant des industriels pour les nanoparticules et les nanomatériaux :
1- La réduction de la taille modifie fortement les propriétés intrinsèques des particules et des matériaux, ouvrant, ainsi, la voie à des composés plus performants ou innovants.
2- Plus une particule est petite, plus sa surface est grande par rapport à son volume. De ce fait, toutes les interactions entre la particule et son environnement sont exacerbées. C’est la raison pour laquelle, par exemple, les catalyseurs à base de nanopoudres sont les plus efficaces
3- Quand on passe des micros aux nanopoudres, la forme des grains évolue en général, ils peuvent être plus réguliers, voire sphériques, avec une faible dispersion de taille. Les nanopoudres sont, ainsi, intéressantes pour l’élaboration de matériaux.
Classement des nanomatériaux
Il est proposé dans la littérature un classement des nanomatériaux en quatre familles, selon leurs formes d’utilisation (McHenry,1999) :
– Matériaux de dimension 0 : matériaux sous forme dispersée, aléatoire ou organisée, comme dans les cristaux colloïdaux pour l’optique ou les fluides magnétiques.
– Matériaux de dimension 1 : matériaux sous forme de nanofils ou de nanotubes.
– Matériaux de dimension 2 : matériaux sous forme de couche mince, comme dans les dépôts d’agrégats ou de revêtements épais obtenus par projection plasma ou voie électrochimique.
– Matériaux de dimension 3 : matériaux sous forme compacte comme dans les céramiques et les métaux nanostructurés.
Origine de nouvelles propriétés
Le développement des nanomatériaux passe aujourd’hui par une recherche de compromis entre les différentes propriétés conduisant à ne pas dégrader les propriétés existantes, tout en améliorant d’autres. Du fait de leur taille, les nanomatériaux présentent des caractéristiques différentes de l’échelle macroscopique. En effet, lorsque la taille d’une particule diminue, le nombre de particules par gramme croît considérablement : ce nombre est multiplié par 1.000.000 lorsque le diamètre d’une particule évolue de 100 nm à 1 nm. Parallèlement, à quantité de matière équivalente (soit un gramme de matière présentant une densité de 10 g/cm 3), la surface des particules est multipliée par un facteur 100 .
Les structures nanométriques confèrent aux nouveaux matériaux obtenus, des propriétés mécaniques, électriques, magnétiques, optiques et catalytiques particulières ou des combinaisons de propriétés originales, différant parfois de celles du même matériau à une échelle différente. De plus, la réduction de la taille du grain conduit à une plus grande interface à l’intérieur du matériau et ainsi, peut modifier un certain nombre de propriétés parmi lesquelles, celles mécaniques et électriques (Afsset ,2006). En effet, l’augmentation de la densité de défauts tels que les joints de grains et les dislocations, offre à ces matériaux une diffusivité supérieure à celle des monocristaux et polycristaux de même composition chimique avec une taille de grains micrométrique.
Quelques propriétés des nanomatériaux
Les nanomatériaux ont des propriétés différentes de celles que l’on peut trouver pour des matériaux de la même substance qui ne possèdent pas de structure nanométrique. Ces nouvelles propriétés découlent de la grande proportion d’atomes en surface, ainsi que du confinement spatial dû aux petites dimensions. Elles sont à l’origine des nombreuses applications dans plusieurs secteurs : l’environnement, l’énergie, le textile, la chimie, la cosmétique, la santé, l’automobile, l’aéronautique, l’électronique, le verre et les articles en verre, les céramiques et matériaux de construction, le caoutchouc, les matières plastiques, la métallurgie, la défense, les peintures, les détergents, l’agroalimentaire, l’agronomie et la production de papier.
Parmi toutes les propriétés susceptibles d’évoluer lorsque la taille moyenne des cristallites atteint l’échelle nanométrique, seront brièvement discutées celles mécaniques, électriques et optiques car elles constituent la manifestation la plus nette de cette évolution.
Propriétés mécaniques
La présence d’une multitude de joints de grains et de régions intragranulaires, en fraction volumique presque aussi importante que celle des grains eux-mêmes, peut conduire, dans les métaux et les céramiques, à une dureté considérablement accrue ou, au contraire, à plus haute température, à de la superplasticité. En effet, la réduction de la taille de grains est de nature à induire un comportement superplastique, c’est-à-dire des déformations sans rupture, de l’ordre de 100% voire 1000%. Par exemple, (Lu et al.,2000) ont obtenu un renforcement mécanique très important en dispersant des nanoparticules métalliques ou céramiques dans des matrices céramiques. Les nanoparticules sont dotées d’une légèreté et d’une flexibilité importante, (Ratner,2003 et Aitken et al.,2004) ont mentionné que la résistance mécanique de nanotubes de carbone est plus de soixante fois supérieure aux meilleurs aciers, même si leur poids est plus de six fois inférieur.
Par ailleurs, les matériaux nano-phases présentent une dureté et une limite élastique inversement proportionnelle à la taille des grains ; par exemple, la dureté du cuivre nano-phase, constitué en moyenne de grains de 6 nm de taille est 5 fois supérieure à celle associée au même matériau, mais avec des tailles moyennes de grains de l’ordre de 50 μm .
Propriétés électriques
Les nanoparticules possèdent des propriétés électriques particulières. En effet, l’ajout de nanotubes de carbone (NTC) à des matrices composites, par exemple Al2O3, augmente significativement la conductivité du matériau (Zhan et al.,2003). Ces propriétés semblent dues à la proximité de leurs niveaux d’énergie occupés et vacants. Dans un des exemples résumés ci-dessous, (Tableau I.3), la conductivité électrique atteint 3345 S/m pour un ajout de 10 % vol de nanotubes de carbone de type monofeuillet dans une matrice d’alumine, correspondant à une modification de 13 ordres de grandeur de la valeur initiale.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Revue bibliographique
I.les materiaux nanostructurés
I.1. Definition
I.2. Classement des nanomatériaux
I.3. Origine de nouvelles propriétés
I.4. Quelques propriétés des nanomatériaux
I.4.1 Propriétés mécaniques
I.4.2. Propriétés électriques
I.4.3 Propriétés optiques
I.5. Applications des nanomatériaux
I.6.Effets des nanoparticules sur l’environnement
I.7 Effet des nanoparticules sur la santé humaine
I.8. Effet des nanoparticules sur les bactéries
I.9.Présentation du matériau d’étude
I.9.1. Définition de l`oxyde d`étain
I.9.2. Propriétés de l`oxyde d`étain (SnO2)
I.9.2.1. Propriétés cristallographiques
I.9.2.2. Propriétés électriques
I.9.2.3. Propriétés optiques
I.9.3. Applications
I.9.3. 1. Détection de gaz
I.9.3.2. La photocatalyse
I.9.3.3. Piles au lithium
I.9.3.4. Électrodes
I.9.3.5. Photovoltaïques
I.10. Modèles biologiques utilisés
I.10.1. Bactéries
I.10.1.1. Définition
I.10.1.2. Structure des bactéries
I.10.1.3. Différents types de bactéries
a. Bactéries à Gram négatif
b. Bactéries à Gram positif
I.10.2. Caractéristiques des souches bactériennes étudiées
I.10.2.1. Le genre Pseudomonas
I.10.2.2. Le genre Staphylococcus
I.10.2.3. Le genre Acinetobacter
I.10.2.5. Les Entérobactéries
I.10.2.6. Le genre Enterococcus
I.10.2.7. Le genre Bacillus
I.10.3. La paramécie
I.10.2.1. Généralité
I.10.2.2. Intérêt de la paramécie comme modèle d’étude alternatif
Références bibliographiques
Chapitre II. Synthèse et Caractérisation des Nanoparticules de SnO2
II.1. Obtention des nanoparticules de SnO2
II.1.1. Broyage mécanique
II.1.1.1. Préparation des échantillons
II.1.1.2 Description du broyeur planétaire P7
II.1.2. Élaboration des nanoparticules de SnO2 par voie chimique
II.1.2.1. Élaboration des nanoparticules de SnO2 pur
II.1.2.2. Élaboration des nanoparticules de SnO2 dopé
II.2. Techniques de caractérisation
II.2.1. Diffraction des rayons X (DRX)
II.2.2. Détermination de la taille des grains
II.2.3. Microscopie électronique à balayage (MEB)
II.2.3.1. Les électrons secondaires
II.2.3.2. Les électrons rétrodiffusés
II.2.4. La spectroscopie Infrarouge (IR)
II.2.4.1. Principe de la spectroscopie Infrarouge (IR)
II.2.4.2. Mode opératoire
II.2.5. La spectroscopie UV-Visible
II.2.5.1. Principe
II.3. Résultats et discussions
II.3.1. Analyse par la diffraction de rayon X (DRX)
II.3.2. Analyse par la spectrométrie infrarouge (IR)
II.3.3. Analyse par La spectroscopie UV-Visible
II.3.4. Analyse par la microscopie électronique à balayage (MEB)
Références bibliographiques
Chapitre III. Effet bactéricide des nanoparticules de SnO2
III.1. Introduction
III.2. Matériel biologique
III.3. Matériel chimique
III.4. Protocole expérimental
a. Repiquage des souches à tester
b. Préparation de la gamme de dilution des NPs
c. Préparation des boites de dilution
d. Préparation de l’inoculum bactérien
e. Ensemencement
f. Lecture de la CMI
III.5.Résultats de CMI
III.5 .1. Effet du SnO₂ pures et dopées sur les Cocci à Gram positif
III.5.2. Effet du SnO₂ pur et dopé sur les bacilles à Gram positif
III.5.3. Effet de SnO₂ pur et dopé sur les bacilles à Gram négatif entérobactéries
III.5.4. Effet de SnO₂ pur et dopé sur les bacilles à Gram négatif non entérobactéries
III.6. Discussion
Références bibliographiques
Chapitre IV. Évaluation de la Toxicité des Nanoparticules de SnO2, Sur un Modèle Unicellulaire : Paramecium Tetraurelia
IV.1. Introduction
IV.2. Matériel et méthodes
IV.3. Culture du microorganisme Paramecium Tetraurelia
IV.4. Cinétique de croissance cellulaire
IV.5. Calcul du pourcentage de réponse
IV.6. Dosages biochimiques
IV.6.1 Dosage du taux de glutathion (GSH)
IV.6.2. Mesure de l’activité GST (glutathion S-transférase)
IV.6.3. Mesure de l’activité Catalase (CAT)
IV.7. Caractérisation des malformations
IV.8. Étude du métabolisme respiratoire
IV.9. Résultats et discussions
IV.9 .1. Effets des nanoparticules de SnO2 sur la croissance des paramécies
IV.9.2. Effet des nanoparticules de SnO2 sur l’évolution du Pourcentage de réponse
IV.9.3. Effet des nanoparticules de SnO2 sur le taux de GSH
IV.9.4. Effet des nanoparticules de SnO2 sur l’activité GST
IV.9.5. Effet des nanoparticules de SnO2 sur l’activité catalase (CAT)
IV.9.6. Effet des nanoparticules de SnO2 sur l’activité respiratoire
IV.9.7. Atteintes membranaires et structurales
Conclusion générale
