Aperçu des nanomatériaux
Bref historique du développement de la nanotechnologie
En 1959, le célèbre physicien et lauréat du prix Nobel Richard Feynman a prédit que l'homme pourrait utiliser des machines plus petites pour fabriquer des machines encore plus petites, et éventuellement arranger les atomes un par un et fabriquer des produits un par un selon les souhaits de l'homme, ce qui a été le premier rêve de la nanotechnologie.
En 1991, des scientifiques américains ont réussi à synthétiser des nanotubes de carbone et ont découvert qu'ils ne représentaient qu'un sixième de la masse du même volume d'acier et qu'ils étaient dix fois plus résistants, ce qui leur a valu le nom de "super fibre". La découverte des nanomatériaux marque une nouvelle étape dans la découverte des propriétés des matériaux. En 1999, le chiffre d'affaires annuel des nanoproduits a atteint 50 milliards de dollars.
Qu'est-ce qu'un nanomatériau ?
Le nanomètre (nm) est une unité de longueur, et un nanomètre correspond à 10-9 mètres (milliardième de mètre). Pour la matière macroscopique, le nanomètre est une unité très petite. Le diamètre d'un cheveu humain est généralement de 7 000 à 8 000 nm, celui d'un globule rouge de 3 000 à 5 000 nm, celui d'un virus de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, et la taille du grain d'un métal est généralement de l'ordre du micron. Pour la matière microscopique comme les atomes, les molécules, etc., qui était autrefois exprimée en angström, un angström est le diamètre d'un atome d'hydrogène, et un nanomètre est égal à 10 angströms.
On estime généralement que les nanomatériaux doivent remplir deux conditions fondamentales : d'une part, leur taille caractéristique doit être comprise entre 1 et 100 nm et, d'autre part, ils doivent présenter des caractéristiques physiques et chimiques particulières qui les distinguent des matériaux de taille normale à l'heure actuelle.
Les nanomatériaux désignent les matériaux dont au moins une dimension est de l'ordre du nanomètre (0,1-100 nm) dans l'espace tridimensionnel ou qui sont composés de ces dimensions en tant qu'unités de base, ce qui correspond à la taille de 10 à 100 atomes étroitement serrés les uns contre les autres. Actuellement, les nanomatériaux ont les applications suivantes.
Nanomatériaux naturels
Les tortues de mer pondent leurs œufs près de la côte de Floride, aux États-Unis. Après leur naissance, les bébés tortues doivent nager jusqu'aux eaux proches du Royaume-Uni pour survivre et grandir, à la recherche de nourriture. Finalement, les adultes retournent sur la côte de Floride pour y pondre leurs œufs. Il leur faut environ cinq à six ans pour faire l'aller-retour. Pourquoi les tortues sont-elles capables de parcourir des dizaines de milliers de kilomètres ? En fait, elles s'appuient sur des matériaux nanomagnétiques situés à l'intérieur de leur tête pour s'orienter correctement.
Les biologistes qui étudient les raisons pour lesquelles des créatures comme les pigeons, les dauphins, les papillons et les abeilles ne se perdent jamais ont également trouvé dans leur corps des nanomatériaux qui les guident.
Matériaux magnétiques à l'échelle nanométrique
La plupart des nanomatériaux utilisés dans la pratique sont artificiels. En raison de leur petite taille, de leur structure à domaine unique et de leur coercivité élevée, les matériaux d'enregistrement magnétique constitués de nanoparticules sont non seulement de meilleure qualité en termes de son, d'image et de rapport signal-bruit, mais ont également une densité d'enregistrement des dizaines de fois supérieure à celle deγ-Fe2O3. Les nanoparticules magnétiques superparamagnétiques peuvent également être transformées en liquides magnétiques pour les dispositifs électroacoustiques, les dispositifs d'amortissement, l'étanchéité rotative, la lubrification et le traitement des minerais.
Matériau nanocéramique
Les grains des matériaux céramiques traditionnels ne glissent pas facilement, le matériau est fragile et la température de frittage est élevée, tandis que les nanocéramiques ont de petits grains qui se déplacent facilement sur d'autres grains. Par conséquent, les nanocéramiques ont une résistance élevée, une grande ténacité et une bonne ductilité, ce qui fait que les matériaux nanocéramiques peuvent être traités à froid à température ambiante ou à haute température.
Nanocapteurs
Lanano zircone, l'oxyde de nickel, le dioxyde de titane et d'autres céramiques sont très sensibles aux changements de température, aux infrarouges et aux gaz d'échappement des automobiles. Elles peuvent donc être utilisées pour fabriquer des capteurs de température, des détecteurs infrarouges et des détecteurs de gaz d'échappement, avec une sensibilité de détection beaucoup plus élevée que celle des capteurs céramiques similaires courants.
Matériaux fonctionnels à gradient nanométrique
Dans les moteurs à hydrogène et à oxygène de l'aérospatiale, la surface intérieure de la chambre de combustion doit être résistante aux températures élevées et la surface extérieure doit être en contact avec le liquide de refroidissement. Par conséquent, la surface intérieure doit être en céramique, tandis que la surface extérieure doit être en métal avec une bonne conductivité thermique. Cependant, les céramiques et les métaux grumeleux sont difficiles à assembler. Si la composition du métal et de la céramique est modifiée progressivement et continuellement au cours de la production, le métal et la céramique peuvent être "connectés l'un à l'autre", et finalement, ils peuvent être combinés pour former des matériaux fonctionnels à gradient. Lorsque les nanoparticules de métal et de céramique sont mélangées et formées par frittage en fonction de la modification progressive de leur contenu, elles peuvent répondre aux exigences de résistance aux températures élevées à l'intérieur de la chambre de combustion et de bonne conductivité thermique à l'extérieur.
Nano-matériaux semi-conducteurs
Les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium et l'arséniure de gallium possèdent de nombreuses propriétés excellentes. Par exemple, l'effet de tunnel quantique dans les nanocomposants rend anormal le transport des électrons de certains matériaux semi-conducteurs, la conductivité diminue, et la conductivité thermique diminue à mesure que la taille des particules diminue, jusqu'à atteindre une valeur négative. Toutes ces caractéristiques jouent un rôle important dans le domaine des Lsi（Large Scale Integrated circuit）devices et des dispositifs optoélectroniques. Comme les électrons et les trous générés par les nanoparticules semi-conductrices sous irradiation lumineuse ont une forte capacité de réduction et d'oxydation, ils peuvent oxyder les substances inorganiques toxiques, dégrader la plupart des substances organiques et finalement produire du dioxyde de carbone non toxique et inodore, de l'eau, etc. Par conséquent, les nanoparticules semi-conductrices peuvent être utilisées pour catalyser la décomposition des matières inorganiques et organiques par l'énergie solaire.
Matériau nanocatalytique
Les nanoparticules sont d'excellents catalyseurs. Les nanoparticules sont de petite taille, leur fraction volumique à la surface est importante, leur état de liaison chimique et leur état électronique à la surface sont différents et la coordination des atomes à la surface est incomplète, ce qui entraîne une augmentation de la position active à la surface et en fait un excellent catalyseur.
L'hydrogénation des nanoparticules de nickel ou de cuivre-zinc sur certains produits organiques est un excellent catalyseur et peut remplacer les catalyseurs coûteux à base de platine ou de palladium. Le noir de platine, catalyseur nanométrique, peut réduire la température de la réaction d'oxydation de l'éthylène de 600 ℃ à la température ambiante.
Applications médicales
Les globules rouges du sang ont une taille comprise entre 6 000 et 9 000 nm, tandis que les nanoparticules n'ont qu'une taille de quelques nanomètres, ce qui est en fait beaucoup plus petit que les globules rouges, de sorte qu'elles peuvent se déplacer librement dans le sang. Si une variété de nanoparticules thérapeutiques est injectée dans diverses parties du corps, celles-ci peuvent être examinées et traitées, ce qui est plus efficace que les injections et les médicaments traditionnels.
Les matériaux en carbone sont très solubles dans le sang. Au 21e siècle, les valves cardiaques artificielles sont déposées sur le substrat matériel avec une couche de carbone pyrolytique ou de carbone de type diamant. Toutefois, ce processus de dépôt est complexe et ne s'applique généralement qu'à la préparation de matériaux durs.
Le sac à gaz et le cathéter d'intervention sont généralement préparés avec un matériau en polyuréthane très élastique. En introduisant des nanotubes de carbone avec un rapport longueur-diamètre élevé et des atomes de carbone pur dans le polyuréthane à haute élasticité, nous pouvons faire en sorte que ce matériau polymère conserve ses excellentes propriétés mécaniques et qu'il soit facile à traiter et à façonner, d'une part, et obtenir une meilleure solubilité du sang, d'autre part.
Les résultats ont montré que le nanocomposite était moins susceptible de provoquer une hémolyse et moins susceptible d'activer les plaquettes ; l'utilisation de la nanotechnologie peut rendre le processus de production des médicaments de plus en plus raffiné, et utiliser directement l'arrangement des atomes et des molécules à l'échelle des nanomatériaux pour fabriquer des médicaments ayant des fonctions spécifiques ; les nanoparticules faciliteront la circulation des médicaments dans le corps, où des médicaments intelligents enveloppés dans des couches de nanoparticules peuvent rechercher et attaquer activement les cellules cancéreuses ou réparer les tissus endommagés ; de nouveaux instruments de diagnostic utilisant les nanotechnologies peuvent détecter les maladies grâce aux protéines et à l'ADN présents dans une petite quantité de sang. Les propriétés particulières des nanoparticules peuvent être modifiées à la surface des nanoparticules pour former des vecteurs de transport de médicaments avec une libération ciblée et contrôlable et une détection facile, fournissant une nouvelle méthode pour le traitement des changements pathologiques locaux dans le corps et ouvrant une nouvelle direction pour le développement de médicaments.
Ordinateur nanomécanique
Le premier ordinateur électronique du monde est né en 1945, il est développé avec succès conjointement par les universités américaines et l'armée, un partage des 18 000 tubes, le poids total de 30 t, couvre une zone d'environ 170 ㎡. C'est un jumbo, mais il ne peut effectuer que 5 000 opérations en 1 seconde.
Après un demi-siècle, le développement de la technologie des circuits intégrés, de la microélectronique, de la technologie de stockage de l'information, du langage informatique et de la technologie de programmation a fait progresser rapidement la technologie informatique. Les ordinateurs d'aujourd'hui sont suffisamment petits pour tenir sur une table. Ils pèsent un dixième de million de fois le poids de leurs prédécesseurs, mais ils sont beaucoup plus rapides que les premiers ordinateurs électroniques.
Si la nanotechnologie est utilisée pour construire les dispositifs des ordinateurs électroniques, l'ordinateur du futur sera une sorte d'"ordinateur moléculaire". Il sera beaucoup plus compact que les ordinateurs actuels et apportera des avantages considérables à la société en termes d'économie de matériaux et d'énergie.
Des puces mémoire de classe nanomatériau, capables de lire les lecteurs de cartes sur les disques durs et de contenir des milliers de fois plus de mémoire que les puces, sont déjà en cours de production. L'utilisation généralisée des nanomatériaux permettra de réduire la taille des ordinateurs à un format de poche.
CNT (nano-tube de carbone)
En 1991, des experts japonais ont produit un matériau appelé nanotube de carbone. Il s'agit d'un tube composé d'un certain nombre d'atomes de carbone hexagonaux et circulaires, ou de plusieurs tubes coaxiaux. Les deux extrémités du tube monocouche et multicouche sont souvent scellées, comme on le voit ici.
Le diamètre et la longueur de ce tube composé d'atomes de carbone sont tous à l'échelle nanométrique, c'est pourquoi on l'appelle nanotube de carbone. Sa résistance à la traction est 100 fois supérieure à celle de l'acier et sa conductivité est plus élevée que celle du cuivre.
Les nanotubes de carbone dans l'air chauffé à 700 ℃ environ pour créer le tuyau au sommet du dispositif en forme de pince de l'atome de carbone en raison des dommages causés par l'oxydation, sont devenus des nanotubes de carbone ouverts. Ensuite, le métal à bas point de fusion (tel que le plomb) est évaporé par le faisceau d'électrons et se condense sur le nanotube de carbone ouvert. Par siphonage, le métal pénètre dans le cœur creux du nanotube de carbone. En raison du diamètre extrêmement réduit des nanotubes de carbone, les fils métalliques formés à l'intérieur des tubes sont également très fins. Ils sont appelés nanofils. Par conséquent, les nanotubes de carbone combinés à des nanofils peuvent devenir de nouveaux supraconducteurs.
Les nanotechnologies en sont encore au stade embryonnaire dans tous les pays du monde. Bien que quelques pays, comme les États-Unis, le Japon et l'Allemagne, aient commencé à prendre forme, ils en sont encore au stade de la recherche, et de nouvelles théories et technologies continuent d'émerger.
Appareils ménagers
Le plastique multifonctionnel fabriqué à partir de nanomatériaux a des fonctions antibactériennes, désodorisantes, antiseptiques, antivieillissement et anti-ultraviolets. Il peut être utilisé comme plastique antibactérien désodorisant dans l'enveloppe du réfrigérateur et du climatiseur.
Protection de l'environnement
Il y aura des nano-membranes dotées de fonctions uniques dans le domaine des sciences de l'environnement. La membrane peut détecter la pollution causée par des agents chimiques et biologiques et peut filtrer ces agents pour éliminer la pollution.
Industrie textile
Les poudres composites denano-SiO2, nano-ZnO et nano-SiO2 sont ajoutées à la résine des fibres synthétiques. Après avoir été étirés et tissés, les sous-vêtements et les vêtements peuvent être stérilisés, protégés contre la moisissure, désodorisés et résistants aux rayons ultraviolets. En outre, il peut être utilisé dans la fabrication de sous-vêtements antibactériens, de fournitures, et peut être fabriqué pour répondre aux exigences de l'industrie de la défense en matière de fibres fonctionnelles anti-rayonnement ultraviolet.
Industrie mécanique
Le revêtement de nanopoudres sur la surface métallique de pièces mécaniques clés est appliqué pour améliorer la résistance à l'usure, la dureté et la durée de vie de l'équipement mécanique.
