Nanoscience et nanotechnologie

Introduction

Le premier colloque visant à unifier deux regroupements stratégiques de recherche du Québec, soit le CRMAA (Centre de recherche sur les matériaux auto-assemblés) et le CQMF (Centre québécois sur les matériaux fonctionnels), s’est tenu les 3 et 4 mai 2016 à l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal. Lors de ce colloque, des chercheurs des regroupements stratégiques CRMAA et CQMF ont présenté les perspectives des axes de recherche suivants :

1. Structures supramoléculaires et auto-assemblées
2. Polymères
3. Biointerfaces
4. Nanoscience et nanotechnologies
5. Énergie
6. Biomédical
7. Environnement et développement durable
8. Matériaux intelligents

Cet article présente les perspectives de l’axe de recherche « Nanoscience et nanotechnologies » proposées par les chercheurs suivants (en ordre d’apparition dans le texte) :

Jean-Francois Morin, professeur au département de chimie de l’Université Laval.

Shuhui Sun, professeur au Centre de recherche Énergie Matériaux Télécommunications (EMT) de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS).

Nathalie Tufenkji, professeure au Département de génie chimique à l’Université McGill et directrice adjointe du Brace Center for water Resources Management.

Élodie Boisselier, professeure à la Faculté de médecine de l’Université Laval et chercheuse affiliée du CHU de Québec.

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Qu’est-ce qu’un nanomatériau ?

Un nanomatériau est un matériau qui mesure moins de 100 nm (10^-7 m) [1‑2]. En raison de leur très petite taille, les nanomatériaux présentent des propriétés remarquables et attrayantes pour une large gamme d’applications, y compris mais de façon non limitative, l’électronique, l’énergie, la santé et l’environnement.

Classes de nanomatériaux

Selon le professeur Morin, les nanomatériaux peuvent être divisés par classes selon leur propriétés chimiques/leur nature :

• organiques : copolymères à blocs, polymères semi‑conducteurs et dendrimères.
• de carbone : fullerènes, nanotubes de carbone et récemment les nanofeuillets de graphène.
• hybrides : matériaux nanoporeux.
• inorganiques : nanoparticules de métal et d’oxyde métallique et points quantiques.

Fabrication des nanomatériaux

Les propriétés des nanomatériaux dépendent fortement de leur forme et de leur taille [1‑2], qui peuvent être ajustées selon le choix approprié de la technique de fabrication. Le groupe du professeur Shuhui Sun à l’EMT de l’INRS a étudié la synthèse de différents types de nanomatériaux (figure 1), dont les nanotubes, les nanofils, les nanocouches et les nanoparticules en utilisant des techniques différentes telles que :

• La déposition chimique en phase vapeur
• La synthèse hydrothermale
• La déposition en couche atomique
• L’électrochimie

Figure 1 Différentes géométries de nanomatériaux synthétisés par le groupe du professeur Sun à l’INRS-EMT en utilisant des techniques variées de fabrication

La nanoscience est la science qui étudie les nanomatériaux tandis que la nanotechnologie est la technologie se basant sur les matériaux à l’échelle nanométrique. L’une des études pionnières ayant mis au point une technologie basée sur les nanomatériaux a été réalisée aux Toyota Research Labs en 1991 pour renforcer les résines polymères classiques utilisées dans l’industrie automobile, comme le nylon, par l’incorporation de nanoparticules d’argile (figure 2) [3‑4].

Par la suite, des essais se sont multipliés pour mettre en œuvre la nanotechnologie dans diverses applications industrielles. Le marché mondial des nanomatériaux a donc augmenté de façon exponentielle depuis les dernières décennies. D’ici 2025, la nanotechnologie devrait évoluer en une industrie mature (figure 3), implantée dans un large éventail d’applications et de produits [5].

Figure 3 La croissance du marché des nanotechnologies depuis 1970 [5]

Les applications environnementales et écologiques

Figure 4 Hydrogels de graphène produits par le groupe de la professeure Tufenkji

Un exemple intéressant de l’utilisation des nanomatériaux et des nanotechnologies au profit de l’environnement se trouve dans la recherche élaborée pour le traitement des eaux usées, au Laboratoire des biocolloïdes et des surfaces de l’Université McGill, dirigé par la professeure Nathalie Tufenkji. Cet axe de recherche porte sur certains aspects :

• Nanoamélioration des membranes polymériques pour le traitement de l’eau.
• Innovation de nanomatériaux pour l’assainissement des sols et des eaux souterraines.
• Mise au point d’hydrogels à base de graphène qui constituent d’excellents adsorbants pour le traitement de l’eau (figure 4).

Figure 5 Nanoplaquettes d’Ag réalisées par synthèse verte dans le laboratoire de la professeure Tufenkji

Un autre axe écologique étudié par la professeure Tufenkji consiste en la réalisation de procédés verts pour la synthèse de différents types et formes de nanomatériaux tels que des nanoplaquettes d’argent (figure 5). Ces nanoparticules peuvent être utilisées pour des applications prometteuses comme l’imagerie médicale.

Applications médicales : l’administration de médicaments

L’une des applications les plus prometteuses de la nanotechnologie de nos jours se manifeste dans la médecine et l’administration de médicaments. Un exemple qui illustre les efforts déployés au sein des centres CRMAA et CQMF dans ce domaine de recherche est le travail effectué par le groupe d’Élodie Boisselier, professeure à l’Université Laval et chercheuse affiliée du CHU de Québec. L’équipe a souligné en particulier deux applications spécifiques :

• La conception de nouveaux médicaments ophtalmiques contenant des nanoparticules d’or.
• La conception de sondes de neurotransmetteurs, contenant des nanoparticules d’or, pour traiter la maladie de Parkinson (figure 6).

Figure 6 Conception de la sonde de neurotransmetteur en cours d’élaboration par le groupe de recherche de la professeure Boisselier

L’énergie durable

L’énergie devrait se placer au sommet des dix problèmes les plus importants de l’humanité dans les 50 ans à venir, selon le professeur Smalley, ancien professeur de l’Université Rice et lauréat du prix Nobel en 1996 pour la découverte d’une nouvelle forme de carbone : le fullerène C₆₀ [6]. C’est pour cette raison que le professeur Sun (INRS‑EMT) et son équipe ont consacré leur recherche à la création de nanomatériaux de pointe destinés à cette application. Par exemple, ils ont synthétisé et étudié des nanomatériaux afin d’améliorer la performance actuelle des piles à combustible par :

• la conception de catalyseurs très actifs et durables à base de platine, un composant clé dans les piles à combustible : en réglant la forme et la taille des nanoparticules de platine, le groupe a réussi à augmenter l’activité catalytique des catalyseurs à base de platine de dix fois plus que celle des catalyseurs du commerce.
• la création d’une alternative aux catalyseurs de platine par l’utilisation de métaux plus abordables : le groupe a conçu un catalyseur exempt de Pt à partir d’un métal non noble, le Fe, au moyen d’une technologie stable et évolutive.

Auteure

Emna Helal est étudiante au doctorat au Département de génie mécanique à l’École de technologie supérieure (ÉTS). Sa thèse est basée sur l’étude de nanocomposites faits de mélanges de polyéthylène et d’élastomère thermoplastique pour des applications d’isolation haute tension.

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[1] Wikipedia (2016). Nanomaterials. Site mis à jour le 2 décembre 2015. Consulté le 3 juillet 2016.

[2] National Institute of Environmental Health Sciences: Nanomaterials, site consulté le 30 juin 2016.

[3] F. Hussain, M. Hojjati, M. Okamoto and R.E. Gorga, Review article: Polymer-matrix Nanocomposites, Processing, Manufacturing, and Application: An Overview, Journal of Composite Materials, Vol. 40, No. 17, 2006, pp. 1511-1575.

[4] A. Usuki, M. Kawasumi, Y. Kojima, A. Okada, T. Kurauchi and O.J. Kamigaito, Swelling Behavior of Montmorillonite Cation Exchanged for V-amino Acids by E-caprolactam, Mater. Res., 1993, 8(5): 1174.

[5] FutureTimeline: Nanotechnology. Consulté le 3 juillet 2016.

[6] Nouvelles de l’Université Purdue : Discours de Smalley, lauréat du prix Nobel, sur les défis de l’énergie planétaire et de la nanoénergie. Site mis à jour le 2 septembre 2004. Consulté le 3 juillet 2016.[/accordion]

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La photo en tête de l’article a été achetée sur istock.com, source. Droits d’auteur.

La figure 1 provient de la présentation du professeur Shuhui Sun lors de la conférence tenue à l’École de technologie supérieure (ÉTS) le 4 mai 2016.

La figure 2 provient de la source. Aucune restriction connue de droit d’auteur.

La figure 3 est issue de la note [5].

Les figures 4 et 5 proviennent de la présentation de la professeure Tufenkji à la conférence tenue à l’École de technologie supérieure (ÉTS) le 4 mai 2016.

La figure 6 provient de la présentation de la professeure Boisselier à la conférence tenue à l’École de technologie supérieure (ÉTS) le 4 mai 2016.[/accordion]