Caractéristiques et classification

Cosmétiques, denrées alimentaires, emballages, automobiles, textiles, électroniques, santé, énergie… les nanoparticules sont présentes dans notre quotidien. Au cours des dernières décennies, les nanoparticules et les nanotechnologies ont fait l’objet de nombreuses recherches et investissements. Grâce à leur taille infiniment petite, ces particules offrent des propriétés inédites exploitables dans de nombreux secteurs.

Caractéristiques d’une nanoparticule

Une nanoparticule est une structure dont les dimensions externes sont à l’échelle nanométrique (1 nm = 10⁻⁹m = 0,000000001 m). Ce caractère nanométrique confère à la nanoparticule des propriétés physico-chimiques différentes de celles de son homologue macroscopique ou microscopique [1]. En effet, selon l’Organisation internationale de normalisation (ISO/TS 80004-2:2015), une nanoparticule est un « nano-objet dont toutes les dimensions externes sont à l'échelle nanométrique et dont les longueurs du plus grand et du plus petit axes ne diffèrent pas de façon significative » [2].

La couleur des édifices est une des caractéristiques affectées par la taille des particules. Le phénomène responsable est l’effet plasmonique [1]. Sans rentrer dans les détails, il s’agit d’un phénomène de vibration du nuage électronique des nanoparticules lorsqu'elles sont soumises à un champ électromagnétique, de la lumière par exemple [3].

En plus de la couleur, d’autres propriétés physico-chimiques sont affectées par la taille des particules et la structure de l’édifice atomique : propriétés électriques, propriétés mécaniques, propriétés magnétiques, propriétés optiques ou chimiques. Il s’agit de substances complexes dotées d’une composition hétérogène en surface à l’origine de nouvelles propriétés différentes de celles de l’édifice macroscopique. Les nanomatériaux peuvent être fabriqués à partir d’éléments chimiques tels que des métaux, des sulfites ou des sélénites, du carbone, des polymères, et des molécules biologiques telles que des lipides, des hydrates de carbone, des peptides ou des acides nucléiques. Il en existe donc une grande diversité [4]. Les nanoparticules peuvent alors être classées en différentes catégories en fonction de leur propriétés, tailles et formes.

Classification des nanoparticules

Il existe de nombreuses familles de nanoparticules. En effet, les nanoparticules sont classées selon leur structure atomique, leur taille et leurs propriétés. Différentes techniques d’analyse permettent d’identifier les propriétés physico-chimiques des nanoparticules. Ces propriétés sont intimement liées à la morphologie et à la structure des nanoparticules. Ainsi, des méthodes d’analyse de la morphologie des nanoparticules existent. Les techniques les plus utilisées sont le microscope optique polarisé, le microscope électronique à balayage (MEB) et le microscope électronique à transmission (MET). Concernant l’étude de la structure et des liaisons de l’édifice nanométrique, il est possible d’utiliser entre autres la diffraction aux rayons X, les rayons X à dispersion d'énergie (EDX), la spectrométrie photo électronique X (XPS), l’infrarouge (IR), Raman et Brunauer–Emmett–Teller (BET) [4].

Parmi les nombreuses catégories de nanoparticules, les deux classes les plus répandues sont les fullerènes et les nanotubes.

Les fullerènes (image ci-contre: Fullerène C20) sont des cages sphériques creuses formées à partir d’unités hexagonales ou pentagonales de carbones. Le nombre d’atomes de carbone total d’une cage sphérique peut varier de 28 à plus de 100. Le rayon et le diamètre des fullerènes est de l’ordre du nanomètre. La famille des fullerènes est très abondante à la surface de la terre et dans l'univers [5]. Les fullerènes sont connus et utilisés pour leurs propriétés physiques uniques : conductivité électrique importante, haute résistance, structure, affinité électronique, propriétés optiques, élasticité, dureté…Par ailleurs, étant des structures vides aux dimensions semblables à plusieurs molécules biologiquement actives, les fullerènes peuvent être remplis de différentes substances. Grâce à sa polyvalence, les fullerènes sont utilisés dans des secteurs différents [4][6].

Les nanotubes de carbone (image ci-contre : Futura-science) sont des feuillets de carbone enroulés sur eux-mêmes formant ainsi des cylindres creux de diamètre nanométrique et de longueur millimétrique. Il s’agit donc d’un nano-objet. Chaque bout du cylindre peut être ouvert ou fermé par une demi-molécule de fullerène. Par ailleurs, les nanotubes peuvent avoir une ou plusieurs couches. Ces nano-objets cylindriques peuvent démontrer des propriétés métalliques ou semiconductrices. En effet, les nanotubes peuvent transporter des densités de courant élevée : il s’agit d’un supraconducteur. Les nanotubes de carbone ont également pour propriétés d’être légers, flexibles avec une excellente résistance mécanique et d’être de remarquables conducteurs thermiques. Un autre atout des nanotubes est leur grande capacité d’absorption moléculaire et leur stabilité chimique [4][6].

En plus des fullerènes et nanotubes de carbones, il existe de nombreuses catégories de nanoparticules et nano-objets : nanofils, nanomousses, nanoparticules métalliques, nanoparticules céramiques, nanoparticules polymériques…Constituées de différents métaux, oxydes, sulfures, nitrures et bien plus encore, ces nanoparticules offrent un large spectre de propriétés [4]. Ces nombreuses propriétés couplées à leur petite taille font des nanoparticules des matériaux très demandés dans différents secteurs. La recherche et le développement autour de ces particules représentent un enjeu primordial pour les industriels et les gouvernements.

Remerciements : Katy Velayoudon, Elève ingénieure à SIGMA Clermont, pour les recherches effectuées dans le cadre d'un stage de fin de 1ère année chez INCI Beauty.
Sylvie DUCKI, professeure de chimie organique à SIGMA

Sources :

• [1] Les nanoparticules, IRSST. 
• [2] ISO/TS 80004-2:2015(fr), Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 2: Nano-objets.
• [3] « Propriétés optiques des nanoparticules d’or », Techniques de l’Ingénieur. 
• [4] I. Khan, K. Saeed, et I. Khan, « Nanoparticles: Properties, applications and toxicities », Arab. J. Chem., vol. 12, no 7, p. 908‑931, nov. 2019, doi: 10.1016/j.arabjc.2017.05.011.
• [5] Définition | Fullerène - C60 | Futura Sciences, Futura.
• [6] Nanomatériaux, nanoparticules. Terminologie et définitions - Risques - INRS.