La revue du projet

Du grec nano (nain), les « nanosciences » désignent l'étude de l’infiniment petit à l'échelle du nanomètre (milliardième de mètre, millième de micron) ou de quelques centaines de nanomètres. Il s'agit d'objets très petits mais beaucoup plus grands que ceux étudiés par la physique des particules, qui s'intéresse au noyau des atomes.

 Bien qu’elles soient un objet d’étude passionnant très moderne, les nanosciences sont présentes dans notre environnement depuis très longtemps. On peut par exemple penser au vase de Lycurgue, datant du IVe siècle après JC et exposé au British Museum de Londres. Il présente la particularité de changer de couleur en fonction de l’éclairage :
• vert, lorsque la lumière arrive de l'extérieur (en réflexion),
• rouge, lorsque la lumière traverse le verre (en transmission).
Cette propriété est liée à la présence de nanoparticules d’or et d’argent dont le diamètre est compris entre 50 et 70 nanomètres.

Le papillon Morpho d’Amérique centrale présente sur ses ailes une irisation bien particulière due à un réseau de nano-trous. Leur taille caractéristique est celle de la longueur d’onde de la lumière, le réseau interagit avec celle-ci, ce qui explique la couleur du papillon !

Les nanosciences : briques élémentaires des technologies modernes
Les nanoparticules, les objets nanostructurés… forment aujourd’hui, grâce à leurs propriétés spécifiques, les briques élémentaires de nos technologies modernes. On peut penser en particulier aux propriétés magnétiques, et aux propriétés catalytiques.

L’un des intérêts des nanoalliages de cobalt-platine est le stockage de l’information. En effet, une nanoparticule porte une aimantation (un « moment magnétique total »). Or, lorsque les nanoparticules sont suffisamment petites, l’aimantation peut se renverser spontanément sous l’effet de la température, c’est ce qu'on appelle le « superparamagnétisme ». Le temps moyen entre deux renversements est appelé « temps de Néel ». Si le temps nécessaire à la mesure de l’aimantation est inférieur au temps de Néel, l’aimantation paraît nulle et la particule est dans un état « superparamagnétique ». Le cas de l’alliage de cobalt-platine est intéressant car il présente à l’état volumique un état physique « ordonné » permettant de limiter cet effet. La démonstration de l’existence de cet état physique au cœur des nanoparticules d’alliage permettrait l’utilisation de ces particules dans le cadre du stockage à haute densité de l’information.

L’étude des surfaces des nanoalliages et en particulier de la ségrégation superficielle présente un intérêt considérable pour la catalyse chimique. En diminuant la taille des catalyseurs jusqu’à l’échelle nanométrique, on augmente de façon importante la surface réactive. Le contrôle des réactions catalytiques dépend des catalyseurs donc de la possibilité d’élaborer ceux-ci en fonction des caractéristiques souhaitées. Par exemple, la présence d’atomes de palladium à la surface de nanoalliages or-palladium permet de sélectionner une réaction particulière, celle de la catalyse de l’oxydation de monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (CO2).

Alliages usuels
et nanoalliages
À l’échelle « macroscopique » (c'est-à-dire de la vie courante), un métal pur a des caractéristiques bien connues. Mais l'ajout d'un ou plusieurs autres éléments permet de faire varier considérablement ses propriétés. En métallurgie, à l'échelle ordinaire, pour un alliage qu'on dit « massif » de deux métaux, on peut étudier assez simplement l'état physique (solide /liquide, ordonné/désordonné, etc.) en fonction de sa composition et de sa température et le décrire à l'aide d'un seul diagramme, dit « diagramme de phase » (voir encadré).

Mais si l'on veut étudier l'état physique des nanoalliages, c'est bien plus difficile. La taille des grains de matière, alors constitués d’au moins deux espèces chimiques différentes, va de quelques atomes (des petites molécules) à quelques dizaines de milliers (de très grosses particules dont les propriétés tendent vers celles de l’alliage à l’échelle macroscopique) et le comportement diffère de celui de l'alliage massif sur plusieurs points. Les nanoparticules d’alliages peuvent adopter une large variété de formes en fonction de leurs compositions (différentes espèces chimiques en présence), mais aussi de leurs tailles, etc. Dans le cas d’un alliage de deux espèces, on peut s’interroger sur l’arrangement chimique de ces deux espèces l’une par rapport à l’autre : une structure cœur-coquille, un oignon avec des couches successives de l’une et l’autre des deux espèces chimiques, une structure de type « janus » avec ou sans coquille, ou encore un système ordonné. Dans une collection de nanoparticules, a-t-on l’une ou l’autre de ces structures ou une collection d’objets avec plusieurs structures ? Il faut alors encore s’interroger sur la taille et la morphologie de ces nanoalliages, car chaque type de structure, de taille… est susceptible d’avoir son propre diagramme de phase. Le diagramme de phase de nanoalliages est donc composé d'une multitude de diagrammes de phase.

La simulation numérique
En d'autres termes, la détermination expérimentale de l'état physique des nanoalliages n'est pas envisageable de façon générale, malgré les récents progrès en la matière. Une partie de la difficulté se situe dans la distinction entre l'agrégat isolé et la collection d'agrégats. C'est pourquoi on tente d'avoir recours à des simulations numériques qui se placent entre la théorie et l’expérience. Elles apportent à l’expérimentateur une meilleure compréhension des phénomènes et un guide prédictif du comportement (en fonction de la taille, de la température et de la composition) des agrégats qu’il forme. La simulation numérique peut être vue comme une sorte d’expérience numérique parfaite, soutenue par les mathématiques et l’outil informatique, permettant au physicien ou au chimiste d’étudier le cas d’une nanoparticule isolée ou d’une collection de nanoparticules identiques et ainsi de confronter les modèles théoriques développés aux résultats expérimentaux.

Les modèles utilisés permettent ici de rechercher la configuration la plus stable, c’est-à-dire la plus basse en énergie. Une des questions qui se posent alors aux chercheurs est celle du paramétrage de son modèle. C’est certainement l'une des questions les plus délicates, une bonne paramétrisation permettant la comparaison avec l’expérience dans les limites du modèle choisi. L’apport majeur de l’ordinateur est de permettre la réalisation d'un grand nombre de calculs, c’est-à-dire d'un grand nombre d’expériences en testant différentes organisations des nanoparticules pour différentes combinaisons de tailles, morphologies, compositions, températures…

Ainsi, au-delà de leurs utilisations dans divers domaines de la vie industrielle, médicale ou autre – et qui peuvent être sujettes à débats – les nanoparticules sont aussi l'objet de recherches fondamentales en physique, chimie et métallurgie et mettent en jeu des questions délicates de mathématiques et d'informatique.

*Aurélie Biancarelli-Lopes est docteur en science des matériaux et nanosciences. Elle est rédactrice en chef adjointe de Progressistes.

La Revue du projet, n°59, septembre 2016