Les domaines d'exploitation de la nanochimie - Maxicours

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Les domaines d'exploitation de la nanochimie

Objectif(s)
Étudier ce que sont les nanoparticules, donner leurs caractéristiques. Présenter les nanoparticules les plus connues et leurs applications. Voir les potentiels dangers liés aux nanotechnologies.
En 1959, Richard Feynman, prix Nobel de physique 1965, évoqua les nanotechnologies lors d’un discours, à travers une phrase qui est devenue célèbre « There is plenty of room at the Bottom » (il y a beaucoup d’espace en bas).
1. Généralités sur les nanoparticules
Une nanoparticule est un objet dont la taille nanométrique lui donne souvent des propriétés physico-chimiques différentes que s’il avait des dimensions plus importantes. Typiquement, les nanoparticules ont une taille de dépassant pas 100 nm, c'est-à-dire bien moins que la taille des cellules humaines. On rappelle que .

Le but des nanotechnologies est de produire des nanoparticules « manufacturées » ayant des propriétés voulues. Habituellement on fragmente la matière pour obtenir plus petit (méthode top down en Anglais). Pour les nanoparticules, on peut faire de même ou alors utiliser la méthode contraire : on « manipule » des atomes/molécules pour construire un édifice (méthode dite bottom up en Anglais). Celui-ci a des propriétés nouvelles, car présentant une structure moléculaire différente de la matière ordinaire.
2. Exemples de nanomatériaux et nanoparticules
a. Les fullerènes sphériques.
Les fullerènes sphériques sont les nanoparticules les plus connues du grand public, certainement grâce à la forme de ballon de football du , nommé footballène ou buckminsterfullerène. Celui-ci est composé de 60 atomes de carbone.


Leur découverte en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley fut couronnée par le prix Nobel de chimie en 1996. L’importance de cette découverte est liée au fait qu’avant, les seules formes cristallines identifiées du carbone étaient le graphite et le diamant.

Toutes les propriétés des fullerènes sphériques ne sont pas encore bien connues. Ils peuvent servir à la construction de nanomachines. Associée à une autre molécule, un fullerène sphérique peut même former un aimant organique à basses températures !
b. Nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone sont une autre construction d’atomes de carbones. Ils sont aussi des fullerènes. Ils se présentent sous la forme d’un tube creux, de diamètre voisin du nanomètre, et dont la longueur est de quelques micromètres, mais souvent beaucoup plus.


Les nanotubes de carbone sont l’objet de recherches car leurs propriétés sont intéressantes. Ils ont une masse volumique 6 fois inférieure à celle de l’acier, mais se révèlent 100 plus résistants. Ils peuvent même être plus durs que le diamant. Leur conductivité électrique dépasse celle des bons conducteurs comme le cuivre. Leur résistance aux hautes températures est également impressionnante. Leur forme en tube ouvre la possibilité d’inclure des molécules au sein de cette structure.
c. Nanoparticules métalliques
Les métaux sont à l’échelle macroscopique ou microscopique peu réactifs, sauf dans certaines circonstances (oxydoréduction). Un échantillon macroscopique d’un métal semble inerte chimiquement : un scalpel est employé pour son aptitude mécanique à couper. Par contre, à l’échelle nanométrique, les nanoparticules métalliques ont un comportement souvent radicalement nouveau. Par exemple :

• Le nano-argent est un puissant bactéricide. C’est la nanoparticule la plus produite industriellement, devant celles de carbone (fullerènes). Il est employé dans le domaine pharmaceutique, agroalimentaire (pesticides ou emballages), textile (anti-odeurs), électroménager, cosmétiques (déodorants).

• A l’échelle nanométrique, l’or ne se présente plus comme un métal doré. Les longueurs d’onde qu’il absorbe dépendent de la taille de la nanoparticule. De plus, il est biocompatible : il se fixe sur des anticorps ou autres molécules biologiques. Les nanoparticules d’or ont la particularité de se regrouper près des tumeurs cancéreuses, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour localiser et détruire ces tumeurs.
3. Applications des nanotechnologies
a. Les cosmétiques
Les crèmes solaires constituent un exemple d’emploi récent des nanoparticules. Le but d’une crème solaire est de filtrer les rayons ultraviolets. Pour remplir cette fonction, il existe deux types de crèmes solaires : chimiques ou minérales. Les premières sont composées par exemple d’oxydobenzone :


Cette molécule absorbe les UV de la même manière qu’un pigment absorbe certaines couleurs. Cependant, la molécule présente une certaine nocivité.

Les crèmes solaires minérales utilisent de l’oxyde de zinc ou du dioxyde de titane . Ils se présentent sous la forme de solides blancs. Ils réfléchissent les UV, d’où leur rôle d’ « écran ». Les crèmes solaires minérales standards ont le défaut d’être difficile à étaler, et de laisser des marques blanches liées à la présence de ces substances.

Pour résoudre ce problème, les particules d’oxyde de zinc et de dioxyde de titane ont été réduites d’un diamètre de 300 nm à un diamètre inférieur à 50 nm (nanoparticules). Les deux matériaux gardent leur propriété optique de réfléchir les UV, mais ne forment plus de traces blanches. Elles peuvent être encapsulée dans des nanosphères transparentes en silice afin de les stabiliser et d’éviter des effets secondaires indésirables.

D’autres produits cosmétiques utilisent les nanoparticules. Les propriétés optiques de celles-ci sont employées dans des produits de maquillage. Les fullerènes sont appréciés en cosmétologie, tout comme le dioxyde de zinc ou dioxyde de silicium. Des dentifrices utilisent des nanoparticules de diverses compositions. Une des applications serait de rendre les dents moins sensibles au chaud, au froid, au sucré.
b. Les nanomédicaments
Les médicaments sont par nature constitués de molécules actives. Dans l’organisme, elles vont agir sur des cellules cibles. Cependant, l’organisme dispose de nombreuses « barrières » immunitaires qui limitent grandement leur action. Seule une fraction infime des molécules de médicament ingérée ou injectée atteindra effectivement sa cible.

L’enjeu des nanomédicaments est d’encapsuler ces molécules dans des nanostructures (nanotubes de carbone par exemple) afin de les rendre inattaquables par le système immunitaire. En disposant des marqueurs spécifiques, les nanomédicaments pourront trouver leur cible à agir de manière très localisée. Ce transport de la substance active par la nanostructure est appelée la vectorisation du médicament. La piste des nanomédicaments est très étudiée, en particulier dans le cadre de traitements contre le cancer.
c. Autres applications
Parmi les autres applications possibles, on peut citer :
• Pigment dans les peintures : oxyde de titane
• Additif pour les bétons : silice
• Textile : vêtements plus légers, plus résistants, ou même « intelligents »
• Sport : remplacer les fibres de carbone par des nanotubes de carbone
• Microélectronique, afin de miniaturiser les composants
• Informatique : stockage de l’information
• Optique : fenêtre auto-nettoyantes, vitres anti-buée, écrans plats.
• Photovoltaïque : utiliser les propriétés électriques des fullerènes.
• Encres au noir de carbone : fullerènes
• Pneumatiques : oxyde de silicium, …
• Lubrifiants automobiles
• Catalyseur automobile : oxyde de cérium
• Matériaux pour secteurs automobile, aérospatial, … : nanotubes de carbone.
• Imagerie médicale : nanoparticules de silice, …
4. Dangers potentiels des nanotechnologies
Les nanoparticules ne sont pas sans danger pour l’environnement ou pour l’Homme. Il existe des nanoparticules « naturelles » émises lors de combustions incomplètes, comme dans les fumées de cigarettes ou les moteurs Diesel. Ce sont des polluants nommées particules ultrafines.

Aussi, le risque doit être pris en compte pour les nanoparticules « manufacturées », qui ont un mode d’action différent. On peut penser aux produits en fin de vie contenant des nanoparticules. Ces dernières pourraient se répandre dans la nature et constituer une pollution nanométrique. Concernant les nanotubes de carbone, leur solidité extrême alliée à leur taille laisse craindre des dégâts au sein d’organismes vivants qui les auraient absorbés par accident.

Des études sont actuellement en cours pour voir si les nanoparticules peuvent pénétrer profondément la peau, et leur éventuel impact environnemental (écotoxicité). Leur action sur le corps humain au niveau cellulaire est étudiée.

Des nanoparticules peuvent être des sources de réactions inflammatoires. Ils sont quelquefois comparés à l’amiante à certains doses. De plus, l’action intra-cellulaire de nanoparticules laisse craindre des altérations de l’ADN. L’action biochimique du nano-argent est également potentiellement dangereuse. Une crainte concernant les nanoparticules est aussi leur accumulation dans l’organisme, celui-ci ne sachant pas toujours les éliminer efficacement.
L'essentiel
Les nanoparticules sont des objets de petite taille, typiquement inférieure à 100 nm. Du fait de leur taille et de leurs structures moléculaires, elles ont des propriétés radicalement différentes d’objets de même matière mais de plus grande taille. Par exemple, les fullerènes, dont les nanotubes de carbone, sont des nanoparticules qui ont des propriétés physico-chimiques impressionnantes.

Des nanoparticules se trouvent dans certains produits de consommation, comme dans les cosmétiques, les crèmes solaires… Les nanomédicaments sont en développement afin de cibler l’action d’un médicament, par vectorisation de celui-ci.

Si les nanotechnologies peuvent susciter un certain enthousiasme, de part les nombreuses applications possibles, ils suscitent aussi la crainte. En effet, leurs propriétés ne sont pas encore totalement connues, ainsi que leur dangerosité du fait de leur taille.

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