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S'appuyer sur les nanostructures pour élaborer la chimie de demain

Par Dinhill On

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Le 7 novembre, la Fondation de la Maison de la Chimie a organisé son colloque « Chimie et... ». Cette édition a été consacrée aux derniers développements et aux perspectives entre chimie, nanomatériaux, et nanotechnologies.

Quel est le point commun entre le secteur du bâtiment, du textile, des technologies numériques, de la santé, de l'alimentation ou encore de la cosmétique ? Toutes ces industries s'appuient sur les nanomatériaux ou des nanotechnologies pour la fabrication de leurs produits. C'est pour mieux informer le grand public des liens entre la chimie et le nano-monde que la Fondation de la Maison de la Chimie a consacré la 20e édition de son colloque « Chimie et » depuis 2007. Cet événement, qui s'est tenu le 7 novembre dernier, à Paris, a réuni devant un large public des experts du monde académique et industriel pour discuter des développements et du rôle des nanotechnologies et des nanomatériaux dans la résolution des grands enjeux de demain.

Lorsqu'on évoque les nanostructures et nanomatériaux, un réflexe courant est de tout de suite penser à ceux issues d'une activité anthropique (industrie, pollution, etc.). Or les nanostructures existent bel et bien à l'état naturel. « Sur tout le tableau périodique, la nature n'en utilise que six pour construire la quasi-majorité des matériaux et leurs propriétés. Elle est donc obligée de jouer sur les structures nanométriques pour conférer certaines propriétés », explique Jacques Livage, professeur honoraire au Collège de France. Avant de poursuivre : « Les ailes des papillons constituent un bon exemple. Elles sont recouvertes d'une cuticule conférant de la rigidité. En y regardant de plus près, il s'avère que cette cuticule est constituée de milliers d'écailles, qui sont elles-mêmes striées pour procurer de l'hydrophobicité. Ces stries sont composées de lamelles et de pigments aux propriétés optiques, permettant d'apporter la couleur ». Un autre exemple réside dans le plancton avec les diatomées. « Ces micro-organismes sont capables de fabriquer du verre, non seulement à température ambiante, mais aussi dans le milieu aquatique. Il pourrait être intéressant de s'inspirer de cette réaction de chimie douce pour une production industrielle », détaille Jacques Livage (Collège de France).

Un potentiel déjà exploité dans l'industrie

Qu'ils soient sous forme de particules, de dispositifs, de composites, les nanomatériaux sont déjà une réalité aujourd'hui, en raison des propriétés nouvelles qu'ils apportent, comparées à celles des matériaux de taille micrométrique. « Les nanomatériaux définissent tous les systèmes ayant au moins une de leurs dimensions inférieure à 100 nm. Comparé à des matériaux de taille supérieure, leur rapport surface/volume offre de nouvelles perspectives en matière de propriétés physico-chimiques », précise Pierre Rabu, directeur de l'Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS). Avant d'évoquer : « Par exemple, la dispersion de charges de taille nanométrique dans des composites permet d'en modifier la résistance chimique, thermique ou encore magnétique. C'est le cas des nanotubes de carbone qui peuvent renforcer mécaniquement un matériau ou rendre des substances très conductrices thermiquement ».

Dans ce cadre, une table ronde a été organisée lors du colloque pour présenter différentes réalisations industrielles grâce aux nanostructures. Le chimiste belge Solvay y a notamment pu dévoiler ses développements dans la substitution de noir de carbone présent dans les bandes de roulement des pneus par des nanoparticules de silice amorphe. Cela permet d'accroître les propriétés mécaniques des pneus, et garantir une meilleure durée de vie. « Autre d'exemple d'application avec l'inclusion de nanoparticules d'oxyde mixte de cérium et zirconium dans les pots catalytiques, aidant à améliorer l'efficacité de la dépollution », cite Thierry Le Mercier, directeur du département Matériaux inorganiques de Solvay. De son côté, le groupe Arkema a exposé ses avancées sur les copolymères à blocs, dont la nanostructure facilite la nanolithographie par auto-assemblage dirigé en vue de la fabrication de nano-composants électroniques. « Avec ces copolymères, il est relativement aisé de définir un motif pour l'assemblage, et ce, de façon peu onéreuse », indique Christophe Navarro, directeur du programme Nanomatériaux organiques pour l'électronique chez Arkema. Autre intervenant industriel avec Sanofi, qui a précisé le potentiel des matériaux d'échelle nanométrique dans la pharmacie. « Dans notre secteur, nous envisageons de les employer pour mettre au point des nanomédicaments. D'une part, cela pourrait s'avérer avantageux dans la solubilisation d'actifs insolubles sans recours à des excipients. D'autre part, les nanomédicaments sont en mesure de passer plus facilement les barrières biologiques, permettant une meilleure efficacité de traitement, par exemple pour des anticancéreux en intraveineuse », détaille Didier Bazile, responsable de l'innovation technologique extrême de Sanofi. À ce jour, les nanomatériaux constituent des vecteurs d'administration, principalement sous la forme de nanocristaux (voie orale) ou de liposomes d'échelle nanométrique (en intraveineuse). « Il existe également un écueil au niveau réglementaire car les nanomédicaments ne sont pas encore réglementés en ce qui concerne la gestion de la qualité », indique Didier Bazile (Sanofi).

Profiter de l'essor de nouveaux secteurs

Les nanomatériaux pourraient également trouver des applications dans des secteurs émergents. À commencer par celui de l'opto-électronique. Par exemple, des systèmes complexes basés sur la nanochimie pourraient servir à élaborer des matériaux multifonctionnels pour capteurs dans les semi-conducteurs ou encore des textiles intelligents. « Ces systèmes hybrides offrent une complexité chimique, structurelle et fonctionnelle pour des propriétés comme le transport de charges, l'émission de lumière ou encore le changement de phase », précise Paolo Samori, directeur de l'Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires de Strasbourg. De son côté, la société Nanomakers a présenté les applications de ses nanopoudres de silicium ou de carbure de silicium. Issues de travaux du CEA, ces poudres sont fabriquées par un procédé de pyrolyse laser, garantissant une haute pureté, un contrôle de la granulométrie des particules, une reproductibilité tout en gardant un potentiel de personnalisation. « Nos produits peuvent notamment servir dans la fabrication d'anodes de batteries lithium-ion. Ils offrent une meilleure densité énergétique en comparaison avec des anodes traditionnelles dans ce type de système », précise Jean-François Perrin, p-dg de Nanomakers. Avant de compléter : « Nos nanopoudres trouvent également des applications pour le renforcement mécanique et l'allègement de matériaux ».

Le colloque organisé par la Fondation de la Maison de la chimie a permis de prendre conscience que les nanomatériaux et nanotechnologies font déjà l'objet d'utilisations dans des produits actuellement commercialisés. En outre, la recherche sur les nanostructures va se poursuivre afin de trouver de nouvelles applications, tout en garantissant l'innocuité. On n'a donc pas fini d'en entendre parler et d'en débattre dans les années à venir...

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