Introduction aux nanomatériaux

Nombre de places: 50 - Langue: Français

Objectifs

Ce cours privilégie les aspects applicatifs et présente largement les avancées spectaculaires dont les nanomatériaux sont (et seront) à l’origine dans la sphère industrielle, et donc dans notre vie de tous les jours. Au-delà des effets de mode, l'accent sera mis sur l'exploitation de phénomènes physiques spécifiques à l'échelle "nano" dans des applications concernant pratiquement toutes les filières industrielles. On abordera successivement l'élaboration des nanomatériaux, leur caractérisation, la modélisation de leurs propriétés et l’on présentera les applications les plus remarquables. Toutefois la révolution "nano" s'accompagne d'inquiétudes sociétales, alimentées par la difficulté même de définir les nanomatériaux et les controverses concernant leur toxicité, qui seront également traitées dans ce cours.

Evaluation

Sur la base du cours, de documents fournis et d'une recherche documentaire personnelle, les étudiants rédigeront un mini dossier sur un des thèmes traités dans l’Enseignement Spécialisé.

Programme

1) La première journée sera axée sur la définition des nanomatériaux et de leur dimensionnalité, et donnera un cadre général des domaines où ils sont susceptibles d’intervenir. L'effet "nano" sur les propriétés physiques sera détaillé et les applications en résultant directement seront décrites. Plusieurs méthodes de synthèse (chimie douce, sol-gel, synthèse en phase gaz, techniques de dépôts…) seront présentées, et l’on décrira les moyens d’action possibles pour contrôler la nature, les dimensions et la morphologie des nanostructures, paramètres dont vont directement dépendre les propriétés. La séance se terminera par la présentation des méthodes et outils pertinents pour caractériser les nanomatériaux, essentiels pour comprendre leurs propriétés et guider leur élaboration. Les techniques dont la résolution spatiale est nanométrique seront évidemment à l’honneur, comme les microscopies électroniques (balayage et transmission) ou à champ proche (AFM).
2) La deuxième journée abordera les applications de nanostructures, ou bien sous forme de nanocomposites cherchant à combiner les propriétés (parfois antagoniques) des nanocharges et de la matrice, ou bien sous forme de matériaux à porosité contrôlée trouvant diverses applications en catalyse et dépollution.
3) Après une partie consacrée aux propriétés optiques des nanomatériaux et aux applications principales qui en découlent, la troisième journée sera consacrée principalement à la modélisation des propriétés des nanomatériaux. La compréhension et l’optimisation des propriétés d’un matériau nécessitent la mise en œuvre de modélisations et simulations numériques ; les nanomatériaux n’échappent pas à la règle. Le type d’approche (quantique, ab-initio, dynamique moléculaire, homogénéisation, éléments finis, statistique…) dépend de l’échelle à laquelle on considère le système : particule seule, particules en interaction, interface, couche mince, particules dans une matrice, milieu poreux, matériau macroscopique nanostructuré… Il dépend aussi de la propriété visée, et éventuellement du procédé d’élaboration. Les caractéristiques et les domaines de validité de ces différentes approches numériques de la modélisation appliquées aux nanomatériaux seront présentés. Les applications des nanomatériaux en électromagnétisme seront abordées en fin de séance: conductivité électrique, absorption des ondes électromagnétiques (enjeu de sécurité important, en vue de l’écrantage pour les téléphones portables, pour les bâtiments…) en incluant la prédiction des propriétés par modélisation morphologique alimentée par des informations microstructurales locales.
4) La quatrième journée complètera l'introduction aux nanocomposites à matrice polymère de la deuxième journée en détaillant les problématiques liées à leur élaboration et propriétés rhéologiques, puis en s'intéressant à une fonctionnalité importante que peuvent amener les nanocharges: la résistance au feu. Un domaine de prédilection des nanomatériaux concerne les applications dans le domaine de l’énergie. Ces dernières seront traitées au cours de la deuxième demi-journée sous l'angle des ruptures technologiques. La potentialité des nanomatériaux dans ce secteur sera notamment illustrée au travers du stockage et de la conversion d’énergie par voie électrochimique (piles à combustibles, supercapacités, …) et de la superisolation thermique.
5) La cinquième journée décrira l'émergence d'une révolution scientifique s'appuyant sur l'exploitation des propriétés des nanomatériaux dans le domaine de la santé: la nanomédecine. Ce cycle sur les nanomatériaux se conclura par la description des enjeux industriels et sociétaux liés à ces nouveaux objets, ainsi que par une analyse objective des risques et de la toxicité qui peuvent y être associés, lors de leur élaboration, de leur utilisation et de leur recyclage.

Pré-requis

Notions de base en physique, chimie et sciences des matériaux

Equipe enseignante

Jean-François HOCHEPIED


 

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