L'étude de la structure des matériaux déjà connus et le développement des technologies d'observation de la matière sont à l'origine de la découverte de nouveaux matériaux qui ont déjà transformé notre quotidien. L'étude de ces matériaux est au cœur de la recherche scientifique car leur potentiel est encore loin d'être totalement exploité, si bien qu'ils seront au cœur des technologies de demain.
Les nanomatériaux
Nanomatériaux
Les nanomatériaux sont des matériaux composés de particules dont au moins une des dimensions est inférieure à 100 nm appelées nanoparticules.
Ils sont issus de la nanotechnologie.
Les nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone sont des matériaux nanostructurés.
Matériau nanostructuré
Un matériau nanostructuré est un nanomatériau dont la structure est de taille nanométrique que ce soit en surface ou en volume.
Ces nanotubes sont formés à base de cycles d'atomes de carbone de forme hexagonale.
Ces cycles sont accrochés les uns aux autres pour former des cylindres creux d'un diamètre de l'ordre du nanomètre et de longueur de l'ordre du micromètre.
Les nanotubes de carbone sont au cœur de la recherche sur les nanomatériaux car ils possèdent des propriétés physiques exceptionnelles, notamment :
- Une grande conductivité électrique
- Une grande solidité
- Une grande flexibilité, etc.
Les nanotubes sont les premiers nanomatériaux découverts. Depuis, de nombreuses applications ont été développées dans tous les domaines (médecine, textiles, alimentation, équipements, armement, etc.).
Une application à la médecine : les nanomédicaments
Les nanomédicaments sont des nanocapsules renfermant un principe actif.
Nanocapsules
Les nanocapsules sont des capsules de taille nanométrique renfermant une substance chimique (un principe actif dans le cas de la médecine).
La capsule va se dégrader dans un milieu biologique bien défini afin d'administrer le principe actif de façon très ciblée.
De cette manière, on peut limiter les doses de médicament et donc les effets secondaires indésirables mais aussi modifier la structure du principe actif pour le rendre plus efficace.
Une application au domaine du textile : les textiles innovants
Les textiles innovants peuvent se classer dans trois domaines :
- Les fibres nouvelles (fibres métalliques par exemple)
- Les textiles sensibles à leur environnement (changement de température, de pression, d'ensoleillement, etc.)
- Les textiles intelligents contrôlés par des systèmes électroniques (chaussures qui produisent de l'énergie, vêtements thermorégulateurs, etc.)
Les nanomatériaux interviennent dans les trois domaines. Il est possible de rajouter des nanoparticules d'argent aux effets antibactériens ou de recouvrir d'une nanocouche un tissu pour le rendre totalement imperméable.
Les céramiques
La constitution chimique des céramiques
Matériaux céramiques
Les matériaux céramiques sont des matériaux inorganiques et non-métalliques.
On distingue deux familles de céramiques :
- Les oxydes
- Les non-oxydes
L'alumine, de formule \ce{Al2O3}, est un exemple de céramique. Il s'agit d'un oxyde d'aluminium.
Le nitrure de silicium, de formule \ce{Si3N4}, est un autre exemple de céramique appartenant cette fois à la famille des non-oxydes.
La cohésion des céramiques est assurée par des liaisons ioniques et covalentes fortes leur confiant des propriétés chimiques et physiques particulières.
La mise en forme
Les céramiques sont d'abord réduites à l'état de poudre. Pour les mettre en forme, on chauffe ces poudres en les compressant. Les grains de poudre sont liés entre eux grâce à une fusion localisée à la dimension du grain.
Les propriétés des céramiques
Les propriétés physico-chimiques des céramiques sont nombreuses :
- Une grande résistance mécanique et thermique
- Des températures de fusion très élevées (supérieures à 2000°C)
- Excellents isolants électriques
- Une très bonne biocompatibilité
- Une inertie chimique (qui ne réagissent pas)
Biocompatibilité
La biocompatibilité est la capacité que possède un matériau à s'insérer dans un milieu biologique sans le dégrader ni interférer avec son fonctionnement.
Les prothèses dentaires sont des matériaux céramiques biocompatibles car leur présence n'a aucune conséquence pour nos dents ou nos gencives.
Les verres et les verres spéciaux
Verres
Les verres sont une sous-classe de céramiques basée sur une structure désordonnée formée par des oxydes de silicium.
Une telle structure est appelée solide amorphe.
Le verre "simple" est une structure composée uniquement d'oxydes de silicium de formule \ce{SiO2}.
En rajoutant des composés chimiques à la structure d'oxydes de silicium, les verres obtiendront de nouvelles propriétés. De tels verres sont appelés des verres spéciaux.
En rajoutant du chlorure d'argent à la structure en oxydes de silicium, on obtient un verre qui change de couleur en fonction de l'intensité lumineuse. C'est ainsi que sont conçus les verres adaptables des lunettes.
La mise en forme des verres diffère des céramiques classiques car ils fondent au-delà de 500 °C :
Les matériaux composites
Matériau composite
Un matériau composite est un assemblage de deux (ou plus) matériaux de nature différente (métal, céramique ou polymère) dont les propriétés sont complémentaires.
Lorsque l'on coule des chapes de béton, on place des tiges en acier pour renforcer la structure. On a produit un matériau composite, le béton armé, fait d'un assemblage d'une céramique (le béton) et d'un métal (l'acier).
La structure des matériaux composites
La structure du composite repose sur :
- Le renfort : il assure la résistance mécanique du composite.
- La matrice : elle permet de maintenir le renfort, de transmettre les contraintes mécaniques, d'assurer la tenue chimique et de donner la forme au composite.
Dans le cas du béton armé, le renfort est constitué par les tiges en acier et la matrice est le béton.
Les propriétés et les applications
Les propriétés du composite sont meilleures que les propriétés des matériaux le composant pris individuellement. Voici quelques unes de leurs principales propriétés :
- Une grande résistance mécanique et thermique
- Une grande flexibilité
- Une densité faible
Les domaines d'application de ces matériaux sont principalement :
- Le transport (maritime, l'aéronautique, l'aérospatial)
- Le bâtiment
- Le sport (équipements)
Les nanocomposites
Nanocomposites
Les nanocomposites sont des nanomatériaux composites. Des nano-objets sont insérés dans la matrice afin de lui conférer de nouvelles propriétés uniques.
Un textile fait d'un matériau composite, dans lequel ont été insérées des nanoparticules d'argent pour le rendre antibactérien, est un nanocomposite.