vendredi 8 avril 2016

Nanosciences et nanotechnologies

Les nanosciences et nanotechnologies sont des domaines interdisciplinaires, impliquant la physique, la chimie, la science des matériaux et mécanique, génie électrique et chimique. À l'échelle nanométrique, les propriétés mécaniques, électriques, optiques et magnétiques des matériaux changent, ce qui permet la création de nouveaux matériaux fonctionnels. La nanotechnologie a un large éventail d'applications, de la science biomédicale à l'électronique.
Nanosciences, la science des objets ou des caractéristiques avec des tailles typiques de 1-100 nm, est l'un des développements les plus importants depuis des décennies. La miniaturisation des appareils électroniques avec des unités élémentaires plus petites que 1 pm a révolutionné notre vie quotidienne. Quand la matière est divisée en ces petits objets, ses propriétés mécaniques, électriques, optiques et magnétiques changent souvent de façon drastique. En conséquence, la relation entre les nanosciences et les nanotechnologies a été largement symbiotique avec les découvertes scientifiques menant à de nouvelles technologies qui, à son tour ouvrir la voie à de nouvelles idées fondamentales.
UN MONDE ALTERNATE
Beaucoup de propriétés des solides changent à mesure que leurs dimensions se rapprochent l'échelle nanométrique. Une particule mesurant 1 nm × 1 nm × 1 nm contient 64 atomes avec seulement 8 à l'intérieur: les 56 atomes restants sont à la surface. Par conséquent, les propriétés des nanoparticules sont dominées par des atomes de surface, ce qui permet la création de nouvelles propriétés simplement en dispersant finement les matériaux en vrac ordinaires. Les isolateurs peuvent devenir des conducteurs, des matériaux stables peuvent devenir combustibles et des matériaux relativement inertes comme l'or pourraient devenir des catalyseurs efficaces et sélectifs lorsqu'elle est réduite à la taille de quelques nanomètres.
Les nanoparticules fonctionnelles organiques peuvent être créés à l' aide de différentes méthodes et avoir des applications étendues , y compris les revêtements, la colorisation, l' étiquetage des échantillons biologiques, la délivrance de médicaments et transfection génique . Des nanoparticules inorganiques sont mécaniquement plus stables et résistant à des températures élevées, et sont donc préférées pour certaines applications .
L'utilisation de nanoparticules inorganiques pour améliorer les propriétés mécaniques, électriques et optiques des polymères organiques ou des matériaux inorganiques conduit à la création de nanocomposites. Par exemple, l'acier à ultra-haute résistance ductile (avec une force significative> 1 GPa) est crucial pour la construction légère, ce qui se traduit par une empreinte carbone plus faible en vertu de la production matérielle réduite et la consommation de carburant. Les aciers nouvellement développés ductiles ont des forces allant jusqu'à 1,5 GPa, en raison de l'inclusion de nanoprécipités de nickel, de titane et de molybdène (1-2% en poids), qui sont responsables pour le durcissement supplémentaire pendant le traitement thermique.
NANOSCALE CONSTRUCTION
Nanomatériaux, qui ont des caractéristiques morphologiques nanométriques tels que les «îlots», des tiges , ou pores, ont une grande surface et, en tant que tels, sont souhaitables en tant que substrat pour les catalyseurs ou pour une utilisation dans les filtres. Étant donné que la formation des nano-structures définies dans les molécules organiques est bien connue et peut être facilement ajustée, les substances organiques sont souvent utilisées comme matrices pour des matériaux nanoporeux minéraux.
Les structures nanométriques peuvent être formées de deux façons différentes: la gravure lithographique de caractéristiques simples (de haut en bas) et l'auto-assemblage de petits objets à des architectures plus grandes  Avec gravure lithographique, structures individuelles peuvent être créées; cependant, il est techniquement difficile, coûteux et généralement limité à des structures beaucoup plus grande que 10 nm. L'auto-assemblage est généralement simple et de nombreuses structures peuvent être créées à faible coût; cependant, il ne fait pas de caractéristiques individuelles.
L'une des principales applications de nano-technologie - et donc une force motrice pour les nanosciences - est le secteur de l'électronique. Au cours des dernières décennies, le transistor a été continuellement miniaturisé. Les circuits intégrés modernes intègrent des transistors avec fonction aussi petite que 32 nm. En même temps, la densité des données sur des périphériques tels que les disques durs a augmenté à environ 200 gigaoctets par pouce carré, ce qui signifie qu'il faut une zone se rapprochant d'un carré dont les côtés à peine 56 nm pour stocker un bit de données. Cela rend les circuits possibles qui peuvent travailler plus vite avec une moindre consommation d’énergie.
>> Par la compréhension et la manipulation de la matière à l'échelle nanométrique, les nouveaux matériaux et les outils peuvent être créés pour une myriade d'applications.
Une caractéristique particulière du nanomonde est des effets quantiques, par exemple tunnel d'électrons. Un cycliste approchant une colline doit convertir l'énergie chimique dans ses muscles en énergie potentielle, ce qui pourrait être en partie gagné en arrière sous forme d'énergie cinétique, une fois qu'il ou elle va sur le sommet de la colline. En mécanique quantique, une particule (par exemple, un électron) peut agir différemment: pour une taille de colline finie, il y a toujours la possibilité d'arriver à l'autre côté avec la même énergie intacte, semblable à si la particule a voyagé à travers la colline plutôt que sur elle. Cette propriété est au cœur du microscope à effet tunnel.
La chimie bénéficiera également de la nanoscience en raison d'une meilleure compréhension du comportement et les propriétés de plus en plus petites quantités de liquides. Ceci est essentiel lorsque seules de petites quantités de réactifs sont disponibles et pourraient aider à contrôler les réactions potentiellement toxiques ou explosifs. Des tentatives sont en cours pour créer un laboratoire complet sur une plaquette de silicium (un «laboratoire sur puce») pour le rendre plus rapide et plus simple pour tester certains produits chimiques ou d'échantillons biologiques, tels que l'analyse enzymatique et séquençage d'ADN. Cependant, ils sont encore à l'échelle micrométrique, au cours de laquelle l'écoulement de liquide dans un canal peut être décrit en utilisant les équations hydrodynamiques macroscopiques normales; vrai nanofluidique est un défi technique et scientifique, que le comportement du liquide est qualitativement différent. A cette échelle, le débit est affecté par les fluctuations thermiques, des interactions intermoléculaires à longue portée, l'influence des parois du canal et de la taille finie des molécules au sein du système.
Le domaine de la chimie supramoléculaire est concerné par l'organisation des blocs de construction moléculaires régies par des forces non covalentes faibles tels que la liaison hydrogène, forces hydrophobes et hydrophiles, forces de van der Waals et les effets électrostatiques, et donc des fonctions à l'échelle du nanomètre. Une application intéressante de cette branche de la chimie est l'électronique organique ou polymère: la fabrication de dispositifs électroniques et opto-électronique à l'aide plutôt que des matériaux métalliques, qui sont plus légers, plus souple et moins coûteux à base de carbone.
DÉVELOPPEMENTS ULTÉRIEURS
Il y a de grandes opportunités pour les technologies minuscules. En comprenant et manipuler la matière à l'échelle nanométrique, les nouveaux matériaux et les outils peuvent être créés pour une myriade d'applications telles que l'électronique, la science biomédicale et de la construction. Pour y parvenir, plusieurs défis à court terme doivent être abordés. Ceux-ci comprennent l'amélioration des méthodes de production d'objets à l'échelle nanométrique, de les traiter et de les organiser dans des arrangements complexes. De nouvelles méthodes de création d'une interface entre les nano-objets et le monde macroscopique, peut-être par l'intermédiaire de connexions électriques, peuvent améliorer notre capacité à contrôler et à en tirer profit. Enfin, il faut développer des méthodes non destructives pour caractériser la structure de nano-objets et de leurs propriétés (y compris électrique, magnétique, thermique, mécanique et optique) dans des environnements différents.
Contrairement à l’or en vrac (Au), nanograppes formés par Aux atomes ont des propriétés catalytiques; ceux - ci sont déterminés par leurs structures électroniques et géométriques. En utilisant la spectroscopie vibrationnelle dans la phase gazeuse, la structure plane de Au 7 et une structure pyramidale pour Au 20 ont été révélés par des chercheurs de l'Institut Fritz Haber en Allemagne. Même la réduction de la symétrie quand un atome d'angle est coupé de la grappe tétraédrique Au 20 peut être facilement détectée dans le spectre de vibration de Au 19