Comment les propriétés uniques des nanoparticules transforment la recherche dans les domaines physiques et environnementaux

L’histoire des nanomatériaux artificiels remonte à plus d'un millénaire, bien avant que la nanotechnologie n’émerge comme domaine scientifique défini. Même sans une compréhension formelle de ce que cela implique, les artisans des civilisations anciennes manipulaient déjà des matériaux à l’échelle nanométrique. Ainsi, dès le IVe siècle, les Romains avaient développé des techniques utilisant des particules d’or et d'argent colloïdales pour contrôler la couleur du verre. Ces pratiques ont évolué et ont été intégrées dans la fabrication des vitraux des cathédrales européennes du Moyen Âge et dans la production de céramiques fluorescentes dans le monde islamique.

L'enseignement de Feynman a été renforcé par le développement de deux approches principales en nanotechnologie : la méthode « top-down » (où la taille d’un matériau est réduite jusqu’à la forme nanoparticulaire) et la méthode « bottom-up » (où les nanoparticules sont construites directement à partir des atomes ou molécules). Cette évolution théorique a été soutenue par des avancées pratiques, notamment l'invention du microscope à effet tunnel (STM) et du microscope à force atomique (AFM) dans les années 1980. Ces outils ont permis pour la première fois aux chercheurs de visualiser et de manipuler des matériaux au niveau atomique, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la fabrication et la compréhension des nanomatériaux.

L'un des aspects cruciaux de cette révolution nanotechnologique réside dans la manipulation de matériaux à une échelle si petite qu’ils n’obéissent plus aux lois physiques classiques. Cela a permis de concevoir des matériaux à la fois plus efficaces, plus résistants et plus adaptés à des usages spécifiques. Cependant, il est également primordial de comprendre que ces propriétés uniques peuvent comporter des risques. La toxicité des nanoparticules, leur capacité à pénétrer dans les cellules biologiques et à interagir avec des systèmes vivants sont des préoccupations qui accompagnent le développement de ces technologies. Des recherches continues sont nécessaires pour évaluer et minimiser les impacts environnementaux et sanitaires de ces matériaux.

L'une des premières considérations dans la théorie DLVO est la notion d'énergie d'interaction entre deux particules, qui varie en fonction de la distance qui les sépare. Les deux principales contributions à cette énergie sont la répulsion électrostatique, qui résulte de la charge de surface des particules et des ions présents dans la solution, et l'attraction van der Waals, qui est une force plus longue portée mais faible. Ces deux forces conduisent à une forme de courbe d'énergie en fonction de la distance entre les particules, avec un maximum d'énergie, qui correspond à une barrière à franchir pour que les particules se rapprochent suffisamment pour fusionner ou s’agglomérer.

Malgré son efficacité, la théorie DLVO classique présente certaines limites, notamment lorsqu’elle est appliquée à des systèmes plus complexes ou à des particules non sphériques, comme les nanotubes de carbone (CNTs). Pour ces derniers, l'application directe de la théorie DLVO donne souvent des résultats approximatifs, car les CNTs ont une géométrie complexe qui ne se prête pas facilement à la simplification de sphères ou de plans utilisés dans les modèles classiques. Ainsi, des approches étendues, comme la technique de surface element integration (SEI), ont été développées pour mieux comprendre l'interaction entre les nanotubes et des surfaces planes.

Les matériaux à l'échelle nanométrique, lorsque leurs tailles sont réduites à quelques nanomètres, subissent des transformations remarquables de leurs propriétés physico-chimiques. Ces changements, qui incluent des variations dans les propriétés optiques, électriques, magnétiques et réactives, sont essentiellement dictés par les effets quantiques. Par exemple, les nanoparticules d'or, lorsqu'elles sont réduites à la taille nanométrique, montrent des propriétés optiques uniques qui dépendent de leur taille, contrairement à l'or sous forme massive, qui est jaune. Les nanoparticules d'or peuvent, selon leur taille, devenir rouges ou violettes, une caractéristique qui les rend adaptées à diverses applications telles que la détection biomédicale et le traitement, ainsi que le dépistage environnemental. Ces transformations sont dues à la manière dont les électrons de l'or se déplacent à l'échelle nanométrique : leur mouvement est confiné et limité, ce qui modifie leur interaction avec la lumière et, par conséquent, leurs propriétés optiques.

Un autre facteur clé qui distingue les nanoparticules des matériaux massifs est leur surface spécifique. En effet, la surface des nanoparticules est extrêmement étendue par rapport à leur volume ou masse. Lorsque la taille d’un matériau est réduite à l’échelle nanométrique, sa surface augmente de manière exponentielle. Par exemple, un cube de matière de 1 cm de côté possède une surface totale de seulement 6 cm². Si ce cube est découpé en cubes de 1 mm de côté, sa surface totale augmente à 60 cm², et si l’on le réduit à des cubes de 1 nm, la surface devient gigantesque, atteignant 60 000 000 cm². Ce phénomène se traduit par une réactivité chimique accrue, car une grande proportion des atomes dans une nanoparticule se trouvent à sa surface, où ils peuvent interagir plus facilement avec d’autres substances. Cela explique pourquoi des matériaux initialement inertes, comme le fer ou le cuivre, peuvent devenir réactifs lorsqu’ils sont réduits à la taille nanométrique. Les nanoparticules sont donc particulièrement utiles dans des applications nécessitant une réactivité chimique accrue, telles que les cellules solaires, les batteries, et même le traitement des eaux ou la décontamination de l’environnement.

La deuxième propriété importante des nanoparticules concerne leur comportement dans les fluides, en particulier leur solubilité et dispersion. À l’échelle nanométrique, la loi de la gravité, qui régit le mouvement des objets massifs, perd de son efficacité. En effet, à l’échelle des nanoparticules, l’effet de la gravité devient négligeable. Les nanoparticules, au lieu de couler ou de flotter comme des objets massifs, restent en suspension dans l’eau ou d’autres fluides, formant ainsi des solutions ou des suspensions homogènes. Ce phénomène a été observé pour la première fois par le botaniste Robert Brown en 1827, qui nota le mouvement aléatoire des grains de pollen dans l’eau. Ce mouvement est désormais connu sous le nom de mouvement brownien. Il montre que les nanoparticules se déplacent de manière erratique à cause de leur faible masse et de l’influence des collisions avec les molécules du liquide environnant. Ce comportement unique leur permet d’être facilement dispersées dans des milieux complexes, ce qui est crucial pour leur application dans des technologies de purification, de traitement de l’eau, ou encore dans des procédés biologiques où une dispersion homogène des particules est requise.

Le mouvement brownien, phénomène observable par le déplacement aléatoire des particules en suspension dans un fluide, constitue un concept fondamental pour comprendre le comportement des nanoparticules. Albert Einstein, en 1905, développa un modèle mathématique décrivant ce mouvement, reliant le déplacement moyen des nanoparticules à leur diffusivité et au temps écoulé. Selon sa théorie, la distance parcourue par une nanoparticule dans un fluide est proportionnelle à la racine carrée du temps. Cette relation se traduit par l’équation $\sqrt{L} = 2Dt$, où $L$ représente le déplacement moyen, $D$ la diffusivité et $t$ le temps. Par ailleurs, Einstein établit une formule clé pour calculer la diffusivité d’une nanoparticule sphérique, qui dépend notamment de la température absolue, du diamètre de la particule et de la viscosité dynamique du fluide. Cette formule est devenue un outil essentiel dans l’étude de la dynamique et de la taille des particules colloïdales et nanométriques.

Les nanoparticules, qu’elles soient d’origine naturelle ou synthétisées par l’homme, se déclinent en une multitude de types. Toutefois, la nanotechnologie se concentre principalement sur les nanoparticules conçues artificiellement, telles que celles à base de carbone, de métaux et d’oxydes métalliques. Parmi les nanoparticules naturelles figurent notamment la silice et l’argile, ainsi que les virus, ces derniers représentant des nanoparticules capables de propager des maladies aériennes du fait de leur taille réduite.

Parmi les nanoparticules artificielles, celles à base de carbone occupent une place de choix dans la recherche contemporaine. Depuis la découverte des fullerènes en 1985, ces structures carbonées ont fasciné la communauté scientifique et conduit à l’attribution de deux prix Nobel. Les fullerènes, comme le C60 surnommé « buckyball » en raison de sa forme sphérique rappelant un ballon de football, sont des nanoparticules zéro-dimensionnelles de carbone d’environ un nanomètre de diamètre. Leur solubilité dans divers solvants organiques les destine à des applications biomédicales, notamment en imagerie et en traitement du cancer.

Le graphene, une feuille monoatomique de carbone organisée en réseau hexagonal, est considéré comme le matériau bidimensionnel le plus fin existant. Sa découverte en 2004 grâce à une méthode simple d’exfoliation mécanique a déclenché une véritable révolution. En raison de ses propriétés électriques, mécaniques et thermiques exceptionnelles, il trouve des applications multiples, du domaine électronique à l’environnement.

Ces avancées dans la compréhension et la manipulation des nanoparticules reposent sur une base solide de théorie physique, mais aussi sur la capacité à contrôler leur taille, leur forme et leur surface. La dynamique des nanoparticules dans les fluides, régie par le mouvement brownien, influence directement leur comportement dans les milieux naturels et technologiques. Ainsi, la maîtrise de ces phénomènes ouvre la voie à des innovations dans la purification de l’eau, la médecine, l’électronique et bien d’autres domaines.

Enfin, l’étude de la dynamique de diffusion, liée à la température et à la viscosité du milieu, souligne l’importance de conditions environnementales spécifiques dans le comportement et la mobilité des nanoparticules. Ceci est déterminant pour leur utilisation dans des contextes variés allant des systèmes biologiques aux procédés industriels.