Propriétés nouvelles pour les polymères grâce aux nanoparticules

Le mélange parfait

1 sept. 2006 | MARTINA PETER

Des vernis résistant aux griffures aux coloris irisés, ou des papiers peints dont la couleur varie suivant l’angle sous lequel on les regarde: cela est devenu possible grâce aux nanoparticules. Les scientifiques de l’Empa ont développé en collaboration avec l’Université de Fribourg un nouveau procédé de renforcement des matières plastiques au moyen de nanoparticules. Avec ce procédé, les polymères deviennent notablement plus robustes mais demeurent transparents car les particules nanométriques qu’ils renferment sont réparties régulièrement. Un procédé qui ouvre un vaste domaine d’utilisation à ces nouveaux matériaux.

/documents/56164/303841/a592-2006-09-01-b1m+nano_polymer.jpg/d7fd2dd6-b0e2-4b65-bc98-3695bd4add71?version=1.0&t=1448307317081
 

Legende: Les scientifiques de l’Empa déterminent la taille (de deux à hui nanomètres) des points quantiques à des températures situées entre110 et 180°C. La couleur de ces points quantiques varie suivant leur taille (du jaune au rouge).

 

Le «Nano» ne révolutionne actuellement pas seulement la science des matériaux mais aussi la technique des procédés. Même une technologie aussi traditionnelle que le collage – l’homme de Neandertal fabriquait déjà une «cémentite de l’aire glaciaire» à base de brai de bouleau – peut être améliorée avec les nanoparticules pour en faire une technique d’assemblage hypermoderne. Toutefois pour conférer à une colle polymère des propriétés particulières bien définies – par exemple un indice de réfraction optique déterminé – il est nécessaire de recourir à une procédure compliquée. Les minuscules particules qui sont mélangées à la colle polymère conventionnelle doivent d’une part avoir toutes la même taille et d’autre pat ne pas s’agglomérer entre elles mais être distribuées régulièrement dans la colle. Ceci confère au collage un indice de réfraction élevé et une forte cohésion interne.

Interdiction de former des grumeaux

L’évolution a été la première «applicatrice» de la nanotechnologie. Souvent la meilleure manière d’expliquer de nombreux phénomènes et astuces du nanomonde est de recourir à des exemples du monde animal ou végétal. Cela est aussi valable pour les forces responsables des interactions entre les nanoparticules. «Lorsqu’un gecko escalade un rocher vertical ou en surplomb, il utilise ces forces d’attraction. Les innombrables poils minuscules sur les pattes de ce reptile entrent en interaction avec le support, créant ainsi des micro-forces dont le grand nombre permet cette adhérence.» C’est ainsi que décrit Hervé Dietsch du «Nanoscale Materials Science» les forces de Van der Waals qui interviennent au niveau des atomes et des molécules – donc dans le nanocosmos – et qui sont responsables de l’agglomération des particules entre elles.

Ce sont ces forces que les chercheurs de l’Empa cherchent avec des collègues de l’Université de Fribourg à neutraliser pour développer des matériaux possédant des propriétés nouvelles. Ce n’est en effet que lorsque les particules sont réparties régulièrement et ne s’agglomèrent pas entre elles qu’elles possèdent la plus grande surface spécifique possible qui permet d’améliorer de manière significative les propriétés physico-chimique du produit auquel elles sont mélangées. C’est ainsi que l’on peut fabriquer des polymères extrêmement durs et toutefois transparents. Les colles produites avec ce procédé présentent des indices de réfraction qu’il n’est pas possible d’obtenir avec les colles usuelles. Ces matériaux sont de plus en plus utilisés sur les instruments optiques tels que les lunettes d’approche et les télescopes pour coller entre eux les composants optiques. Seul un joint collé présentant le même indice de réfraction que les prismes de verre qu’il assemble entre eux permet d’éviter les distorsions optiques.

En milieu liquide et non plus à sec

Alors il suffit d’ajouter les nanoparticules et le polymère désiré est déjà prêt? Ce n’est toutefois pas aussi simple car les nanoparticules s’agglomèrent immédiatement entre elles si on les ajoute au polymère de manière usuelle, c’est-à-dire sous forme de poudre. Il en va autrement dans les laboratoires de recherche de l’Empa. Hervé Dietsch produit de minuscules particules d’oxyde de silicium dans une solution dans des conditions qui préviennent leur agglomération. En faisant varier la concentration des produits de départ, ce chercheur peut faire varier le diamètre des particules de 30 nanomètres à un micromètre. En plus de cela il modifie chimiquement leur surface de manière à ce que les particules se repoussent entre elles et se lient plus facilement avec le polymère. Ce procédé offre de nombreux avantages pour «jouer avec la surface des particules, que ce soit physiquement ou chimiquement» déclare Beat Keller qui a dirigé la thèse de doctorat de Dietsch à l’Empa.

Avant la polymérisation du polymère, Keller et Dietsch mélangent le monomère – la «brique élémentaire» du polymère – avec les particules modifiées dans leur solvant. Ce dernier s’évapore lorsque les chaînes de polymère se forme et il ne reste un matériau transparent et résistant aux griffures. Le produit final est parfait mais son procédé de fabrication est compliqué de sorte que son utilisation à grande échelle n’entre pas encore actuellement en question, déclare Dietsch. Il a toutefois déjà été utilisé pour certaines applications high-tech, telles que la production de vernis spéciaux pour l’industrie spatiale. Ce procédé va encore continuer à être optimisé en collaboration avec le nouveau «Fribourg Center for Nanomaterials» – le nouveau lieu de travail de Hervé Dietsch.

Application expérimentale des points quantiques

Reste encore à élucider la manière dont les nanoparticules se distribuent dans les polymères. Pour répondre à cette question, les scientifiques de l’Empa ont développé une méthode expérimentale utilisant des nanocristaux fluorescents de séléniure de cadmium. Ces nanocristaux d’une taille de deux à hui nanomètres – dénommés points quantiques – se lient aux nanoparticules plus grosses de silice. Dès que ces nanoparticules ainsi «marquées», isolément invisibles à l’oeil, se lient entre elles pour former des agglomérats plus gros et deviennent visible sous forme de minuscules «suopernova». Les chercheurs peuvent ainsi reconnaître sous le microscope optique si les nanoparticules ont un comportement monodispersif, autrement dit si elles ne collent pas entre elles, ou collent entre eux..

Dans la production normalement très coûteuse de ces points quantiques, qui sont d’ailleurs toxiques, les chercheurs de l’Empa ont aussi emprunté des voies nouvelles. Ils utilisent pour leur production des matériaux moins nocifs et ont renoncé aux températures dangereusement élevées normalement nécessaires. «Nos points quantiques n’atteignent pas la même qualité que ceux produits conventionnellement» admet Dietsch. «Mais leurs propriétés sont tout à fait suffisantes pour nos expériences». Et ces point quantiques «made by Empa» ne grèvent pas particulièrement le budget, ils ne coûtent que 30 franc au lieu d’environ 670'000 francs par gramme.

Auteur: Manuel Martin


Informations scientifiques et techniques:

Dr. Beat Keller, Section Nanoscale Materials Science, Tel. +41 44 823 46 52,
E-mail

Hervé Dietsch, Université de Fribourg, E-mail: