Les nanoparticules (NP) peuvent être présentes dans divers produits, qu’ils soient alimentaires, cosmétiques, pharmaceutiques ou textiles. Il est bien connu par exemple que les NP de dioxyde de titane sont des filtres anti UV très efficaces et sont donc fréquemment ajoutées dans les crèmes solaires. Ces NPs de TiO₂ peuvent également être présentes dans certaines denrées alimentaires en raison de leurs propriétés blanchissantes (additif E171). Un autre exemple en agro-alimentaire est la silice nanoparticulaire ajoutée pour améliorer la fluidité des aliments en poudre (additif E551). Certains produits de notre quotidien peuvent également contenir des NPs d’argent, notamment certains dispositifs médicaux (e.g. pansements) ou certains textiles anti-transpirants, pour leurs propriétés anti-microbiennes.

En Europe, dans un souci d'information des consommateurs, les aliments ou cosmétiques contenant des nanomatériaux manufacturés sont soumis à une obligation d’étiquetage. La caractérisation des nanomatériaux demeure dans ces échantillons un challenge analytique en raison des interactions des nanoparticules avec les constituants de matrices souvent très diverses, de la sensibilité requise pour les mesures et de la polydispersité en taille liée à l’état d’agrégation/agglomération/dissolution des particules à mesurer.

Cette présentation détaille de façon exhaustive les différentes méthodes qui existent pour la caractérisation des NP inorganiques. Les informations que chacune permet d’obtenir, leurs avantages et inconvénients ainsi que leur potentialité à l’analyse de routine sont discutés. Leur application à des produits de notre quotidien sont également présentée.

De nos jours, l’Internet des objets devient un leitmotiv dans notre vie quotidienne, cette dernière étant caractérisée par des outils macroscopiques interconnectés et leurs technologies fonctionnant 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. À l’échelle nanométrique, l’un des plus grands défis de la chimie consiste à développer des systèmes chimiques complexes artificiels avec des fonctions qui deviennent de plus en plus sophistiquées et interconnectées entre elles.

Cet exposé passe en revue un travail sur l’utilisation d’approches de chimie supramoléculaire pour le développement d’assemblages multi-composants comprenant des nanostructures de basse dimensionnalité, à savoir 0D (nanoparticules), 1D (fibres) et 2D (graphène et autres matériaux en couches). De tels assemblages présentent des fonctions interconnectées et collectives programmables qui les rendent particulièrement intéressants pour des applications en tant que composants sensibles en (opto)électronique et en détection.

Après une introduction rapide aux concepts de nanomatériaux et nanotechnologies, cet exposé présente quelques exemples emblématiques des applications d’aujourd’hui et de la recherche en nanoscience qui permettra les innovations du futur.

Nanoparticules, couches minces sur surface, nanocomposites, nanodispositifs…, les nanomatériaux sont des objets fonctionnels de taille nanométrique ou des assemblages de briques élémentaires organisées à l’échelle nanométrique (1 nm = 10^-9 m = 0,000000001 m = 1/1000 μm). À cette échelle de taille, la matière peut présenter des propriétés différentes du matériau massif. Les propriétés de surface (et d’interface) sont exacerbées, des propriétés électroniques particulières (optiques, magnétiques, de conduction électrique) apparaissent.

Selon les fonctionnalités voulues, on peut soit maintenir les propriétés du massif (miniaturisation), soit utiliser les propriétés propres aux nano-objets pour imaginer de nouveaux dispositifs (quantum dots ou boîtes quantiques luminescentes, Qbits pour l’informatique quantique, transport électrique balistique par exemple). Ces propriétés peuvent être exploitées dans les nanotechnologies qui visent à concevoir et élaborer des dispositifs de plus en plus petits (intégrés) et adaptatifs. Ces dispositifs couvrent un champ très large et peuvent concerner aussi bien l’émergence d’une électronique rapide et basse énergie que des applications médicales, telles des plateformes « intelligentes » pour l’imagerie, le diagnostic ou la thérapie. La conception et la compréhension des nanomatériaux et nanodispositifs est aujourd’hui possible grâce un ensemble de techniques (microscopie électronique, microscopie à effet tunnel ou de force atomique, spectroscopie optique ultra-rapide…) qui permettent de sonder la matière avec une très grande résolution spatiale et temporelle.

Créée à partir d’une technologie développée par le CEA (pyrolyse laser), Nanomakers (NMKS) conçoit, produit (à Rambouillet, France) et commercialise en quantités industrielles des poudres nanométriques brevetées base silicium pour le doublement de la densité d’énergie spécifique des batteries et le renforcement mécanique disruptif des matériaux (alliages métalliques, élastomères).

Deux exemples d’application sont présentés :

1. Les batteries Li-ion et en particulier les anodes pour développer des batteries à haute densité d’énergie.
2. À partir d’une preuve de concept établie par l’UofWisconsin qui montre le doublement des performances mécaniques de l’aluminium par l’ajout de 1% de n-SiC, NMKS et ses partenaires ont lancé début 2018 un projet européen pour industrialiser cette innovation et fabriquer une poudre nano-composite pour la fabrication additive dans l’aérospatial afin d’alléger les pièces fabriquées.

La mise en œuvre de modèles toxicologiques expérimentaux standards, réalisés selon les recommandations des lignes directrices internationales, sans prendre en compte la spécificité des nanomatériaux, est régulièrement remise en cause quant à sa pertinence vis-à-vis de l’évaluation des dangers et in fine des risques de ces substances.

En effet, il existe de nombreuses sources de biais méthodologiques et autre interférence qui peuvent influer directement sur la nature des résultats d’une étude, à chaque étape de la mise en œuvre d’un protocole toxicologique expérimental : méthode de dispersion utilisée pour suspendre les nanoparticules, caractérisation physico-chimique, choix des systèmes d’essai, des niveaux de doses… ce qui pose finalement la question de l’interprétation des données de ces essais standards de toxicité.

En particulier, l’amélioration de la sensibilité et de la spécificité des tests de toxicité in vitro devrait être une priorité, afin de chercher à accroître leur prédictivité et d'éviter les essais in vivo inutiles. De façon générale, de fortes doses utilisées in vitro peuvent être suffisantes pour induire des effets pro-inflammatoires, cytotoxiques et même génotoxiques, alors que des doses plus faibles obtenus in vivo ne sont suffisantes que pour induire des défenses antioxydantes.

Il apparaît nécessaire d’apporter des modifications et/ou d’adapter les méthodologies afin d’améliorer leur applicabilité et leur fiabilité à la problématique de l’étude des nanomatériaux. Finalement, face à la grande variété de nanomatériaux et leur capacité à changer au cours de leur cycle de vie, le développement de nouveaux outils et de nouvelles approches (Grouping, Ranking, Safe(r)-by-design, Read-across…) est également indispensable pour une évaluation nanospécifique des risques.

Cet exposé très pédagogique et magnifiquement illustré montre sur quelques exemples tels que les insectes ou les micro-algues du plancton, comment, avec un matériau donné (carbonate, silice, chitine…), le vivant imagine des nanostructures originales permettant de répondre aux diverses exigences de la vie.

Les matériaux élaborés par le vivant présentent des caractéristiques remarquables particulièrement bien adaptées aux propriétés recherchées. Leur élaboration n’est pas évidente car ces biomatériaux doivent en général présenter simultanément plusieurs propriétés telles que la résistance mécanique, la légèreté, l’hydrophobie ou la couleur. Or ces propriétés ne sont pas toujours compatibles. Améliorer l’une d’entre elles se fait souvent au détriment des autres. La nature recherche l’efficacité plutôt que la perfection. Alors que nous cherchons à optimiser une certaine propriété, la nature choisit un compromis. Plutôt que de se focaliser sur une seule propriété, elle introduit une certaine marge d’imprécision de façon à ce que les différentes propriétés recherchées restent compatibles. Très économe en moyens, le vivant répond aux différentes exigences que lui impose son environnement en ornant ses matériaux de superbes nanostructures qui lui confèrent un ensemble de propriétés remarquables.

Le marché du semi-conducteur est tiré aujourd’hui par plusieurs applications dans des domaines très variés : les micro-processeurs, cœur de nos téléphones mobiles, l’intelligence nécessaire à la conduite des voitures autonomes et l’internet des objets qui va nous permettre d’améliorer notre confort de vie. En terme de dimensionnel, seules une petite poignée de sociétés non-européennes continuent la course de la réduction à la dimension. Mais en dehors de cette course effrénée aux petites dimensions, de nombreuses opportunités s’ouvrent dans d’autres directions comme le collage de deux fonctions ou deux puces l’une sur l’autre, les capteurs intelligents qui se développent très rapidement dans la domotique, ou encore les caméras embarquées.

L’objet de cette présentation est de donner des exemples de nouveaux matériaux qui accompagnent ces mutations. En effet, les matériaux appelés critiques par les autorités publiques françaises et européennes rencontrent des contraintes environnementales, et/ou contraintes éthiques et/ou des contraintes de coût. À titre d’exemple, les métaux issus de minerais dits de conflits (tantale, tungstène, or, étain, cobalt) font l’objet de vérifications poussées tout au long de la chaine d’approvisionnement et ce, jusqu’à la mine d’origine. De nouvelles règlementations imposent désormais à tous les acteurs de la filière d’approvisionnement des pratiques d’achat responsables qui ont vocation à être étendues progressivement à d’autres minerais et métaux. Les procédés visant à économiser, voire substituer ces matériaux critiques, peuvent permettre de transformer ces contraintes en opportunité, et favoriser l’émergence de nouvelles solutions technologiques où la chimie des procédés tient une part importante.

Le contrôle de la taille à toutes les échelles est clé pour le développement et la maîtrise des performances dans les matériaux avancés. Plus particulièrement l’accès aux tailles sub-micrométriques, rendu possible par de nouvelles voies de synthèse développées dans les 30 dernières années a permis d’obtenir des matériaux complètement nouveaux, qui ont trouvé leurs applications dans de nombreux domaines.

L’exposé illustre des exemples dans les divers domaines, en prenant en compte les aspects liés à l’environnement que la manipulation de petites particules peut impliquer, en montrant l’impact d’une chimie responsable sur notre vie quotidienne.

Dans le domaine des matériaux de structure, le renfort des élastomères ou polymères par des charges comme la silice permet d’augmenter leur durée de vie, développer des performances mécaniques à des niveaux jamais atteints auparavant.

Les catalyseurs ont vu leur performance (activité, sélectivité) régulièrement augmenter avec la maîtrise de la taille des particules métalliques et de la structuration des supports, c’est particulièrement vrai dans le domaine de la post-combustion automobile.

Dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs, les procédés de polissage mettant en œuvre des suspensions colloïdales aqueuses de mieux en mieux contrôlées ont permis d’accompagner la miniaturisation des composants électroniques.

Le mot « progrès » est de moins en moins utilisé dans les discours publics. Il s’est comme recroquevillé derrière le concept d’innovation, qui est désormais à l’agenda de toutes les politiques de recherche. Pour ne prendre qu’un exemple, la Commission européenne s’est fixée en 2010 l’objectif de développer une « Union de l’innovation » à l’horizon 2020. Cette stratégie « Europe 2020 » prend la suite de la « stratégie de Lisbonne », promue en 2000, qui visait à faire de l’Union européenne la « première économie de la connaissance ».

Le document de référence commence par ces lignes : « La compétitivité, l’emploi et le niveau de vie du continent européen dépendent essentiellement de sa capacité à promouvoir l’innovation, qui est également le meilleur moyen dont nous disposions pour résoudre les principaux problèmes auxquels nous sommes confrontés et qui, chaque jour, se posent de manière plus aigüe, qu’il s’agisse du changement climatique, de la pénurie d’énergie et de la raréfaction des ressources, de la santé ou du vieillissement de la population ».

Les question posées sont donc les suivantes : cette façon de théoriser l’innovation rend-elle encore justice à l’idée de progrès ? Est-elle dans son prolongement ou bien la contredit-elle ? En quoi détermine-t-elle notre rapport aux risques ? Ces propos sont par des exemples empruntés à l’univers de la chimie et aux débats que cette activité suscite dans la société.

Après l’horloge astronomique en bronze d’Anticythère, l’horloge à calculer en bois de Blaise Pascal, les calculateurs à lampes type Lee de Forest, les processeurs micro- puis nanolithographiés à la surface d’un cristal de silicium, il est maintenant question de réduire en une seule molécule tout ou partie d’un calculateur. Molécule par molécule, les machineries mécaniques commencent aussi à être miniaturisées à l'extrême du monde matériel d’en bas.

 Ainsi, la première course internationale de molécule-voitures s’est déroulée à Toulouse les 28 et 29 avril 2017. Sont présentées les six équipes engagées dans cette course et leur molécule-voiture d’une longueur entre 0.5 nm et 2 nm, l’instrument de recherche - un microscope à effet tunnel à 4 pointes mis au point pour faire concourir différentes molécule-voitures sur une même surface - , les moyens de propulsion, les stratégies de course et le classement final . En conclusion est décrite l’organisation de la deuxième édition de cette course de molécule-voitures prévue en l’année 2021 et soutenue par le nouveau projet européen MEMO.