Plateforme ducative sur les micro et nanotechnologies pour

Plate-forme éducative sur les micro- et nanotechnologies, pour les écoles professionnelles, les écoles d'enseignement secondaire et les établissements supérieurs spécialisés Module de notions fondamentales Version complète Swiss Nano-Cube Lerchenfeldstrasse 5, 9014 Saint-Gall Tél. +41 (0) 71 274 72 66, info@swissnanocube. ch www. swissnanocube. ch

1. «nano» c'est petit, mais à quel point? © 2011 - Swiss Nano-Cube 1

La définition de nano § Nano est un terme dérivé du grec (nanos = nain) § 1 nanomètre = 1/1‘ 000 e de mm ≈ 3 atomes d'or 100 m = 1, 0 =1 m 10 -3 m = 0, 001 m = 1 mm (1 millimètre) 10 -6 m = 0, 000 001 m = 1 μm (1 micron) 10 -9 m = 0, 000 001 m = 1 nm (1 nanomètre) © 2011 - Swiss Nano-Cube (1 mètre) 2

La dimension nanométrique - Son ordre de grandeur Source: Fonds de l'Industrie Chimique FIC - Série de diapos © 2011 - Swiss Nano-Cube 3

La dimension nanométrique - Son ordre de grandeur Court-métrage classique de Charles et Ray Eames tourné en 1977 Source: http: //www. powersof 10. com/ © 2011 - Swiss Nano-Cube 4

La dimension nanométrique - Son ordre de grandeur Site Web «Scale of the Universe» Source: http: //primaxstudio. com/stuff/scale_of_universe/ © 2011 - Swiss Nano-Cube 5

La dimension nanométrique - Rapports dimensionnels § Rapport Terre/ballon de foot = Rapport ballon de foot/fullerène Source: Université de Mayence Source: www. surf. nuqe. nagoya-u. ac. jp Source: Dr. Martin Schubert Kompetenzzentrum cc-Nano. Chem e. V. © 2011 - Swiss Nano-Cube 6

2. Définitions © 2011 - Swiss Nano-Cube 7

En quoi consistent les nanotechnologies? Les nanotechnologies. . . §. . . incluent la recherche et le développement technique dans le domaine compris entre 1 et 100 nanomètres (nm) §. . . génèrent des structures et se servent de structures qui en raison de leur taille présentent des propriétés entièrement nouvelles §. . . reposent sur la faculté de contrôler et de manipuler à l'échelle de l'atome §. . . synthétisent ces domaines classiques que sont la chimie, la physique et la biologie Source: www. nano. gov/html/facts/what. Is. Nano. html © 2011 - Swiss Nano-Cube 8

Synthétiser des disciplines Chimie physique Sciences de la matière Microélectronique/Mécatronique Physique Chimie Nanotechnologies Biophysique Techniques médicales Physique médicale © 2011 - Swiss Nano-Cube Biologie Biochimie Pharmacie Diagnostic 9

Qu’est-ce qu’un nanomatériau ? § Matériaux nanostructurés (Structure interne ou structure superficielle à l'échelle nanométrique) § Nano-objets CEN ISO/TS 27687 © 2011 - Swiss Nano-Cube 10

Exemples Nanoparticule Nanotube de carbone à plusieurs parois (oxyde de zinc) Couche Surface limite © 2011 - Swiss Nano-Cube Puce (AMD K 8) Taille de la structure ≤ 130 nm Cristal photonique Aérogel (corps solides d'une haute porosité) 11

3. Fabrication © 2011 - Swiss Nano-Cube 12

D'où viennent les nanoparticules? § Nanoparticules d'origine naturelle - Éruptions volcaniques - Feux de forêts - Tempêtes de sable § Nanoparticules engendrées par l'homme - Tabagie - Circulation (véhicules diesel) - Industrie § Fabrication industrielle de nanostructures - Top-down (de haut en bas) - Bottom-up (de bas en haut) © 2011 - Swiss Nano-Cube 13

Génération de nanostructures de l'arbre Top-down: «de haut en bas» Génération de structures à l'échelle nanométrique par rapetissement ou par usinage ultraprécis. Procédés §Broyage de poudre avec des moulins à billes § Procédés de gravure (photolithographie) § Structuration avec des faisceaux d'électrons ou d'ions © 2011 - Swiss Nano-Cube à la planche 14

Génération de nanostructures de la plantule Bottom-up � «de bas en haut» Formation, souvent auto-organisée (auto-assemblage), de structures complexes composées d'atomes ou de molécules individuel(le)s Procédé: § Procédé sol-gel § Synthèse en phase gazeuse § Séparation chimique en phase gazeuse (chemical vapor deposition, CVD) § Séparation physique en phase gazeuse (physical vaport deposition, PVD) © 2011 - Swiss Nano-Cube vers l'arbre 15

4. Pourquoi «nano» ? © 2011 - Swiss Nano-Cube 16

Propriétés nouvelles § Les nanomatériaux présentent de «nouvelles» propriétés. § L'aluminium par exemple: - La feuille d'aluminium est chimiquement très stable, donc très peu réactive. - Inversement, les nanoparticules d'aluminium brûlent de manière explosive et s'utilisent comme carburant de fusée. - Source: www. spiegel. de/wissenschaft/technik/0, 1518, 656774, 00. html © 2011 - Swiss Nano-Cube 17

Propriétés nouvelles Verre doré de teinte rouge rubis au Moyen- ge Pour fabriquer autrefois le verre doré de teinte rouge rubis, on rajoutait au mélange de verre initial de la poudre d'or finement dispersée. © 2011 - Swiss Nano-Cube 18

Nano-effets Nouvelles propriétés en tant qu'effets des nanotechnologies § Propriétés liées aux dimensions (par exemple celles des nanocarriers utilisés en médecine). § Superhydrophobie (par exemple l'effet lotus) § Haute surface spécifique: Réactivité accrue (par exemple le fer pyrophore) § Robustesse mécanique améliorée (par exemple les CNT) § Propriétés électriques & thermiques modifiées (idem) § Propriétés optiques modifiées (par exemple le nano-or, les cristaux liquides) § Superparamagnétisme (par exemple les ferrofluides) © 2011 - Swiss Nano-Cube 19

5. L'univers «nano» au quotidien © 2011 - Swiss Nano-Cube 20

Les nanotechnologies dans les produits grand public Ti. O 2 comme protection anti-UV: Nanoparticules dans les crèmes solaires et les cosmétiques Nano-argent (effet antimicrobien & inhibition des odeurs) © 2011 - Swiss Nano-Cube Si. O 2 comme additif pour laques et peintures inrayables Nanotubes de carbone (CNT) intégrés dans un matériau cadre pour accroître la robustesse 21

Les nanotechnologies dans les produits grand public 1 317 produits (Mars 2011) Source: www. nanotechproject. org/inventories/consumer/analysis_draft/ © 2011 - Swiss Nano-Cube 22

Les nanotechnologies dans les produits grand public 565 produits (Mars 2011) Source: www. nanotechproject. org/inventories/consumer/analysis_draft/ © 2011 - Swiss Nano-Cube 23

Quiz du loft nanorama www. swissnanocube. ch/nanorama © 2011 - Swiss Nano-Cube 24

6. Domaines d'application © 2011 - Swiss Nano-Cube 25

Applications importantes Énergie Produits de consommation Automobile Domaines d'application Informatique, industrie électr. Chimie © 2011 - Swiss Nano-Cube Industrie du BTP Optique Environnement Médecine 26

7. L'univers nano dans la Nature © 2011 - Swiss Nano-Cube 27

Plus jamais sale ou pourquoi la feuille de lotus reste toujours propre. § «L'autonettoyage» des feuilles de lotus repose sur la micro- et la nanostructuration de leur surface. § Les gouttes d'eau perlent dessus et emportent des particules sales en quittant la feuille. § Microstructures incluant des nanocristaux de cire à la surface de la feuille (microscope électronique à balayage) © 2011 - Swiss Nano-Cube 28

Plus jamais sale ou pourquoi la feuille de lotus reste toujours propre. § Vidéo illustrant l'effet lotus § Utilisation de cet effet par exemple dans les peintures pour façade (Lotusan) Source: www. youtube. com/watch? v=pz. Gun. Z 1 -POw © 2011 - Swiss Nano-Cube 29

Adhésion sans colle ou pourquoi le gecko ne tombe pas du plafond. § Les structures adhésives se composent de poils fins (� env. 200 nm de diamètre) § Les poils fins garantissent que le bout du doigt épouse de façon optimale les irrégularités de toute surface support § Ce sont les forces dites de Van der Waals qui assurent l'adhérence; elles reposent sur des décalages de charge dans les atomes. Source: www. uni-saarland. de; photo : S. Gorb, Institut MPI de recherche sur les métaux, Stuttgart © 2011 - Swiss Nano-Cube 30

Adhésion sans colle ou pourquoi le gecko ne tombe pas du plafond. § Les geckos parviennent à adhérer contre pratiquement toutes les surfaces. § Et pour supprimer à nouveau le contact, ils «déroulent» leurs doigts. Source: www. max-wissen. de/Fachwissen/show/0/Didaktik/Bionik. html © 2011 - Swiss Nano-Cube 31