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Fiche explicative de la leçon : Nanoparticules Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier des nanoparticules, et à décrire leurs propriétés et leurs utilisations.

Les nanoparticules sont des objets incroyablement petits qui ont le potentiel de changer complètement nos vies. De nombreux scientifiques ont étudié les propriétés des nanoparticules et plusieurs d’entre eux affirment qu'elles pourront être utilisées afin d'améliorer notre santé et de rendre nos vies beaucoup plus faciles. Nous nous attendons à ce que les nanoparticules changent fondamentalement la façon dont nous vivrons nos vies dans le futur. Il s'agit donc d'une excellente raison d’en apprendre davantage sur elles dans cette fiche explicative.

Les nanoparticules sont de petites structures qui mesurent entre un et 100 nanomètres (nm). Certaines nanoparticules ont des formes relativement simples, alors que d’autres ont des formes très inhabituelles et complexes. Les nanoparticules peuvent contenir un seul type d’élément ou d’atome ou être composées de plusieurs types d’éléments différents. Elles peuvent même contenir plusieurs types de molécules différentes.

Les nanoparticules contiennent généralement quelques centaines d' atomes et ont toujours un rapport aire/volume très élevé. Elles ont presque toujours des propriétés physiques et chimiques inhabituelles, car elles sont si minuscules tout en ayant un rapport aire/volume incroyablement élevé.

Définition : Nanoparticule

Les nanoparticules sont des particules de matière mesurant entre un et 100 nanomètres (nm) de diamètre.

Exemple 1: Identifier ce qui constitue ou pas un fait concernant les nanoparticules

Laquelle des affirmations suivantes ne peut pas être utilisée pour décrire les nanoparticules?

  1. des particules avec un rapport aire/volume élevé
  2. des particules d'une taille de 1–100 nm
  3. des particules plus petites que la plupart des atomes
  4. des particules ayant des propriétés différentes de celles du même matériau brut
  5. des particules contenant quelques centaines d'atomes ou d'ions

Réponse

Les nanoparticules sont des objets incroyablement petits qui ont un diamètre compris entre un et 100 nanomètres (nm). Elles sont plus petites que presque tous les organismes unicellulaires et les virus. Chaque nanoparticule contient habituellement seulement que quelques centaines d'atomes. Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que les choix de réponse B et E peuvent être utilisés pour décrire les nanoparticules.

Les nanoparticules ont tendance à avoir un rapport aire/volume très élevé, ce qui nous aide à comprendre pourquoi leurs propriétés physiques sont très différentes de celles du même matériau brut. Nous pouvons utiliser cette phrase pour déterminer que les choix de réponse A et D peuvent être utilisés pour décrire les nanoparticules.

Par processus d’élimination, nous pouvons donc déduire que le choix de réponse C ne peut pas être utilisé pour décrire les nanoparticules, mais nous pouvons aussi valider que C constitue la bonne réponse en utilisant un raisonnement logique. Les nanoparticules ont un diamètre compris entre un et 100 nanomètres, alors que les atomes ont un diamètre d’environ 0,1 nanomètre. Cette affirmation peut être utilisée pour déterminer que le choix de réponse C est erroné et qu’il constitue donc la bonne réponse à cette question.

Nous pouvons comparer les nanoparticules avec des objets du quotidien avec lesquels nous sommes plus familiers afin de mieux comprendre leur taille qui est presque inconcevable. Les cheveux humains sont l’un des matériaux les plus fins que les gens voient chaque jour de leur vie. Un cheveu humain a un diamètre moyen d’environ 80‎ ‎000100‎ ‎000 nm. Les nanoparticules sont définies comme ayant un diamètre de 1–100 nm. Nous pouvons utiliser ces deux affirmations pour déterminer que les plus petites nanoparticules sont des dizaines de milliers de fois plus petites qu’un simple cheveu humain.

Nous pouvons également comparer les nanoparticules avec des molécules d’eau. Cette comparaison peut être utilisée pour démontrer que certaines nanoparticules ne sont pas beaucoup plus grosses qu’un simple composé triatomique. Les molécules d’eau ont une largeur d'environ 0,27 nm, alors que les plus petites nanoparticules peuvent avoir une largeur qui ne dépasse pas 1 nm. Ceci signifie que certaines nanoparticules peuvent être seulement quelques fois plus grosses qu’une simple molécule d’eau.

Exemple 2: Comparer des nanoparticules de taille moyenne avec un simple cheveu humain

Un cheveu humain a un diamètre de 80‎ ‎000 nm. Combien de nanoparticules ayant un diamètre de 50 nm pourraient être comprises à travers un cheveu humain?Donnez la réponse au nombre entier le plus près.

Réponse

La question vise à déterminer combien de nanoparticules pourraient être comprises dans une coupe transversale d'un cheveu humain et non pas autour de son périmètre. Nous devons ainsi calculer combien de particules de 50 nm peuvent être comprises l'une à côté de l'autre le long d’une ligne imaginaire de 80‎ ‎000 nm. Cette valeur peut être calculée en divisant la valeur de 80‎ ‎000 nm par la valeur de 50 nm. Cette division est effectuée sur la ligne suivante 8000050=1600.nmnm Ce calcul peut être utilisé pour déterminer que 1 600 nanoparticules de taille moyenne (50 nm) peuvent être comprises dans un simple cheveu humain.

La figure suivante compare la taille de la plupart des atomes et des molécules communes avec celle des nanoparticules. Cette figure illustre que certaines molécules polyatomiques sont de la même taille ou même plus grosses que certaines nanoparticules. Il existe plusieurs macromolécules biologiques dans notre corps qui sont beaucoup plus grosses que certaines nanoparticules à base de carbone ou métalliques.

Cette figure illustre également que certaines nanoparticules sont des centaines de fois plus petites que les particules fines et des milliers de fois plus petites que les particules grossières. Les particules fines et grossières sont des particules microscopiques en suspension dans l’air. Les particules fines comprennent certaines substances comme le smog et la suie. Les particules grossières comprennent certaines substances comme la poussière de ciment et les spores de moisissure.

Définition : Particules fines (PM2,5)

Les particules fines sont des particules de matière ayant un diamètre compris entre 100 et 2‎ ‎500 nanomètres (nm).

Définition : Particules grossières (PM10-2,5)

Les particules grossières sont des particules de matière ayant un diamètre compris entre 2 500 et 10‎ ‎000 nanomètres (nm).

Les nanoparticules consistent presque toutes en des matériaux très réactifs. Leurs vitesses de réaction élevées peuvent être mieux comprises en considérant comment les rapports aire/volume dépendent de la taille d’un objet tridimensionnel. Ces objets ont des rapports aire/volume faibles lorsqu’ils sont gros. Mais les rapports aire/volume sont beaucoup plus élevés lorsque ces objets sont petits. Les nanoparticules ont donc nécessairement des rapports aire/volume très élevés étant donné que ce sont des objets incroyablement petits. Les nanoparticules sont également nécessairement incroyablement réactives étant donné qu'une grande partie de leur surface est toujours exposée aux particules de réactifs.

De nombreuses nanoparticules métalliques sont des catalyseurs efficaces, car elles ont un rapport aire/volume très élevé et qu'une grande partie du catalyseur est exposée aux particules de réactifs. Les particules de réactifs entrent en contact avec la surface du catalyseur à une vitesse rapide et les réactions chimiques se produisent donc très rapidement.

Exemple 3: Comprendre pourquoi les nanoparticules métalliques peuvent être des matériaux incroyablement réactifs

Laquelle des raisons suivantes pourrait expliquer pourquoi 1 g de nanoparticules d’or est un meilleur catalyseur que 1 g d'or métallique solide?

  1. Les nanoparticules ont une plus petite masse.
  2. Les nanoparticules ont une plus grande surface de contact.
  3. Les nanoparticules ont une plus petite surface de contact.
  4. Les nanoparticules ont une plus grande masse.
  5. Les nanoparticules ont un plus grand volume.

Réponse

Les nanoparticules ont presque toujours un rapport aire/volume incroyablement élevé, car celui-ci tend à augmenter lorsque les formes deviennent plus petites. Les nanoparticules seront presque toujours en mesure de réagir plus rapidement que les matériaux bruts étant donné qu'elles ont un rapport aire/volume plus élevé. Une plus grande partie de la surface des atomes de réactifs est alors exposée à d’autres particules de réactifs, ce qui signifie que davantage de réactions chimiques peuvent se produire à chaque seconde. Nous pouvons utiliser ce raisonnement pour déterminer que le choix de réponse B est approprié pour répondre à cette question.

La figure suivante montre comment les objets tridimensionnels peuvent avoir un rapport aire/volume plus élevé lorsqu’ils sont petits. Cette figure compare trois cubes avec des valeurs de longueur (𝐿) différentes. Le plus petit cube à un longueur de 1 cm, alors que les deux autres cubes ont une longueur respective de 10 cm et de 100 cm. La figure illustre l'aire, le volume et le rapport aire/volume de ces trois différents cubes.

Le volume (𝑉) de chaque cube a été calculé en utilisant l'expression 𝑉=𝐿 et les valeurs pour l'aire (𝐴) ont été calculées à partir de la formule 𝐴=6×𝐿. Le rapport aire/volume a été déterminé en divisant chaque valeur pour l'aire par la valeur correspondante pour le volume. Les calculs détaillés montrent que le rapport aire/volume est plus grand lorsque le cube est plus petit.

Exemple 4: Calculer le volume d’une nanoparticule cubique

Un type de nanoparticule appelé nanocube est représenté dans la figure suivante. En utilisant les dimensions fournies, quel est le volume de la nanoparticule?

Réponse

Le volume d’un cube peut être déterminé à l'aide de l'expression mathématique 𝑉=𝐿, qui utilise le symbole 𝑉 pour représenter le volume total et le symbole 𝐿 pour représenter la longueur. La forme est un cube et tous ses côtés ont une longueur (𝐿) de 30 nm. Le volume peut être calculé comme suit:𝑉=(30)nm ou 𝑉=(30)×(30)×(30)nmnmnm. En effectuant ce calcul, nous obtenons le résultat suivant:𝑉=27000nm. Ceci suggère que cette nanoparticule a un volume de 27‎ ‎000 nm3. Nous ne changerons pas les unités de nm3 étant donné que la question nous demande d’utiliser les dimensions fournies dans la figure.

Les nanoparticules de dioxyde de titane (TiO)2 sont de plus en plus fréquemment intégrées aux fenêtres pour les aider à rester propres et claires. Ce sont des catalyseurs qui génèrent des électrons en interagissant avec les rayons ultraviolets. Les électrons convertissent les molécules d’eau présentes dans l’air en radicaux hydroxyles (OH) qui décomposent la saleté à base de carbone en plus petits morceaux. Les particules de saleté ainsi décomposées peuvent ensuite être éliminées par les gouttelettes de pluie. Les scientifiques incorporent une quantité relativement petite de nanoparticules de dioxyde de titane dans chaque vitre étant donné que ces particules ont un rapport aire/volume très élevé. Ces nanoparticules sont pratiquement invisibles et elles n’affectent aucunement la transparence des fenêtres.

Les nanoparticules ont de nombreuses interactions inhabituelles avec le corps humain. Elles sont si petites qu’elles peuvent être transportées par le vent et inhalées dans notre système respiratoire lors de la respiration. Les interactions des nanoparticules avec le corps humain ne sont pas très bien comprises et certains scientifiques craignent que l’inhalation de nanoparticules puisse augmenter les risques de maladies et de décès chez l'humain. Les scientifiques sont également préoccupés par le fait que les nanoparticules pourraient nuire à l’environnement, car nous ne savons pas comment elles interagissent avec la plupart des formes de matière vivante et non vivante.

De façon surprenante, les nanoparticules peuvent être absorbées profondément dans la peau humaine. Il existe maintenant de nombreux types de crèmes solaires à base de nanoparticules d’oxyde de zinc (ZnO) ou d’oxyde de titane (TiO)2. Les crèmes solaires ont tendance à mieux couvrir la peau et à offrir une meilleure protection contre les rayons ultraviolets lorsqu’elles contiennent des nanoparticules d’oxyde de zinc ou d’oxyde de titane. Elles ont également tendance à être transparentes lorsqu’elles contiennent des particules nanométriques d’oxyde métallique. Les scientifiques commencent à incorporer des nanoparticules dans d’autres produits cosmétiques, car elles peuvent être conçues pour avoir de nombreuses interactions bénéfiques avec la peau humaine.

Exemple 5: Identifier les avantages de l’ajout de nanoparticules aux crèmes solaires

Des nanoparticules sont utilisées dans les crèmes solaires. Laquelle des raisons suivantes ne représente pas un avantage de l’ajout de nanoparticules aux crèmes solaires?

  1. Les nanoparticules présentes dans les crèmes solaires sont absorbées plus profondément dans la peau et offrent une plus longue protection.
  2. Les nanoparticules présentes dans les crèmes solaires peuvent être disséminées dans l’environnement.
  3. Les nanoparticules présentes dans les crèmes solaires les rendent transparentes.
  4. Les nanoparticules présentes dans les crèmes solaires procurent une meilleure couverture de la peau.
  5. Les nanoparticules présentes dans les crèmes solaires offrent une meilleure protection contre les rayons ultraviolets.

Réponse

Des nanoparticules d’oxyde métallique sont ajoutées aux crèmes solaires pour différentes raisons. Premièrement, les nanoparticules peuvent procurer une meilleure protection contre les rayons ultraviolets (UV) tout en étant transparentes. Deuxièmement, les nanoparticules procurent une meilleure couverture de la peau et ont tendance à être absorbées plus profondément dans celle-ci. Certains scientifiques craignent que l’utilisation excessive des crèmes solaires entraînent des dommages environnementaux en raison de la présence de nanoparticules d’oxyde métallique. Nous ne comprenons pas actuellement comment les nanoparticules affectent l’environnement, mais il est possible qu’elles puissent lui causer des dommages lorsqu'elles sont éliminées de la peau des gens et disséminées dans le sol ou dans l’eau. Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que le choix de réponse B ne représente pas un avantage de l'ajout de nanoparticules aux crèmes solaires et qu'il est donc approprié pour répondre à cette question.

Les scientifiques ont déterminé que les nanoparticules d’or et d’argent ont la capacité de passer à travers les membranes lipidiques des mammifères et des bactéries. Des nanoparticules métalliques sont actuellement à l’étude afin de combiner leurs applications pour la distribution ciblée de médicaments dans le corps et leurs propriétés antibactériennes. Les nanoparticules métalliques peuvent être optimisées pour la distribution ciblée de médicaments ainsi que pour entrer dans les cellules bactériennes afin de les détruire. Nous croyons également que les nanoparticules métalliques pourront être utilisées pour fabriquer des circuits électriques microscopiques étant donné qu'elles peuvent conduire l’électricité. Il est intéressant de noter que de nombreuses nanoparticules métalliques ont tendance à avoir des couleurs et des valeurs de résistance inhabituelles. Les nanoparticules de cuivre sont étonnamment résistantes, alors que l’or nanométrique peut avoir une couleur rouge, orange, verte ou bleue.

Différents types de nanoparticules peuvent être utilisés pour fabriquer des pellicules, des fils et des fibres. Il s'agit d'exemples de substances nanométriques unidimensionnelles, soit des substances de dimension nanométrique. Des pellicules minces sont utilisées pour protéger les aliments et les empêcher de se détériorer. Elles peuvent également être utilisées pour couvrir des surfaces, de la même manière que la peinture, afin d'éviter la rouille ou la corrosion. Des nanofils unidimensionnels sont utilisés dans les circuits électroniques, alors que des nanofibres incroyablement petites existent à l’intérieur de nos filtres à eau afin de s'assurer que l’eau soit potable.

Des nanoparticules lipidiques sont également modifiées à des fins de distribution ciblée de médicaments. Les liposomes sont de petites nanoparticules constituées de molécules de lipides. Les propriétés des liposomes sont modifiées pour les rendre plus solides et plus efficaces pour entrer dans des cellules cibles partout dans le corps humain.

Bicouche phospholipidique

Le graphène, le buckminsterfullerène et les nanotubes de carbone sont parmi les matériaux nanoscopiques les plus inhabituels, car ils sont entièrement constitués d’atomes de carbone. De nombreux scientifiques étudient présentement ces nanomatériaux à base de carbone et nous en apprenons davantage sur eux à tous les jours.

Le graphène est constitué d’une seule couche d’atomes de carbone liés de manière covalente. Ces atomes de carbone forment une structure en nid d’abeilles incroyablement mince. Le graphène est l’un des matériaux les plus fins jamais découverts, et sa résistance à la traction est exceptionnellement élevée. Il est plus dur que le diamant tout en étant pourtant plus élastique que le caoutchouc. Il est également un conducteur efficace d’électricité et il conduit mieux la chaleur que presque toutes les autres substances qui existent sur la Terre. On estime que le graphène pourrait être utilisé pour fabriquer des équipements électroniques de pointe ainsi que des nouveaux types de capteurs et de dispositifs biologiques.

Modèle d'un réseau de Bravais

Des substances nanométriques tridimensionnelles sont des substances qui ont trois dimensions nanométriques. Un exemple courant de ce type de substances est le buckminsterfullerène (footballène), qui est constitué de nanoparticules tridimensionnelles simples qui contiennent soixante atomes de carbone liés de manière covalente. Ces atomes de carbone forment des petites particules en forme de cage. Certains scientifiques ont démontré que le footballène (C)60 peut être utilisé pour acheminer des petits composés à certaines cellules cibles à l’intérieur du corps humain. Des petites molécules pharmaceutiques peuvent être encapsulées à l’intérieur du footballène, qui peut ensuite être guidé ou dirigé vers des cellules cibles situées dans des organes humains cancéreux ou infectés. Les composés pharmaceutiques devraient arriver aux cellules cibles relativement intacts, car le footballène les empêchera d'interagir avec d’autres molécules.

Les nanotubes de carbone sont des tubes bidimensionnels creux qui sont constitués d’atomes de carbone liés de manière covalente. Il s'agit d'exemples de substances nanométriques bidimensionnelles, donc qui ont deux dimensions nanométriques. Ces tubes ont généralement des diamètres compris entre 0,4 nm et 40 nm. Les nanotubes sont habituellement des centaines, voire des milliers de fois plus longs. Les nanotubes de carbone ont généralement des valeurs de conductivité électrique élevées et ils ont aussi tendance à conduire la chaleur plus efficacement que les diamants. Ils ont des valeurs de résistance à la traction extraordinairement élevées et la plupart de ces nanotubes sont des centaines de fois plus résistants que les métaux solides, tels que l’acier et le fer. De nombreux scientifiques affirment que les nanotubes de carbone pourront être utilisés pour fabriquer des dispositifs de détection biologique efficaces, alors que d’autres scientifiques suggèrent qu'ils soient utilisés pour fabriquer des dispositifs électroniques de pointe.

Buckminsterfullerène (footballène, C60), modèle moléculaire. Les atomes sont représentés par des boules
Nanotube de carbone, modèle moléculaire.

Un autre exemple de substance nanométrique bidimensionnelle est un nanotube de carbone multi-feuillets. Les nanotubes de carbone multi-feuillets contiennent au moins deux tubes de graphène concentriques et possèdent des propriétés mécaniques uniques.

Nanotubes de carbone multi–feuillets (MWNT).

Les nanoparticules sont des substances incroyablement utiles. Elles sont actuellement utilisées pour résoudre de nombreux problèmes sanitaires et technologiques. On estime qu’elles seront encore plus utilisées dans le futur pour rendre notre vie plus facile et améliorer notre santé. Le tableau suivant décrit certaines des applications les plus importantes et les plus connues des nanoparticules.

Le domaine médical
Les nanoparticules permettent le diagnostic précoce des maladies.
Les nanoparticules permettent l’imagerie d’organes et de tissus.
Les nanoparticules permettent l'élaboration de systèmes de distribution ciblée de médicaments qui réduisent
les effets secondaires et améliorent la guérison.
Les nanoparticules permettent l'élaboration de dispositifs à l’échelle nanométrique utilisés pour la dialyse.
Les nanoparticules permettent l'élaboration de robots à l’échelle nanométrique qui peuvent éliminer
les caillots sanguins.
Le domaine agricole
Les nanoparticules permettent d’identifier les bactéries
dans différents nutriments.
Les nanoparticules sont utilisées pour la conservation des aliments.
Les nanoparticules améliorent la qualité des
nutriments et des pesticides.
Les nanoparticules permettent le développement de nouveaux
traitements pour les plantes et le bétail avec de nouvelles
propriétés et caractéristiques.
Le domaine énergétique
Les nanoparticules permettent la production de cellules photovoltaïques
plus efficaces d'un point de vue énergétique.
Les nanoparticules permettent la production de piles à hydrogène
ayant de meilleures performances.
Le domaine industriel
Les nanoparticules permettent la fabrication de verre et de céramique
autonettoyants.
Les nanoparticules ont des propriétés qui bloquent les rayons solaires dans
les produits cosmétiques et les crèmes.
Les nanoparticules permettent la fabrication de nanopeintures
et de nanopulvérisateurs qui fournissent des couches protectrices pour
empêcher les égratignures sur les appareils électriques.
Les nanoparticules permettent le développement de nouveaux types
de tissus et de matériaux qui repoussent les taches et qui sont autonettoyants.
Le domaine des communications
Les nanoparticules permettent la fabrication de nanodispositifs
sans fil afin d'améliorer les télécommunications et
l'utilisation des satellites.
Les nanoparticules permettent de réduire la taille des
composants des transistors électroniques.
Les nanoparticules permettent la production de puces électroniques
plus petites avec de grandes capacités de stockage.
Le domaine environnemental
Les nanoparticules permettent de purifier l’air et l’eau.
Les nanoparticules permettent d'améliorer la gestion des déchets
nucléaires.
Les nanoparticules permettent d'éliminer et de gérer
les déchets industriels.

Résumons maintenant ce que nous venons d'apprendre sur les nanoparticules.

Points clés

  • Les nanoparticules sont des particules de matière ayant un diamètre compris entre un et 100 nanomètres (nm).
  • En général, les nanoparticules contiennent seulement quelques centaines d'atomes et ont un rapport aire/volume très élevé.
  • De nombreuses nanoparticules sont des catalyseurs efficaces étant donné qu'elles ont un rapport aire/volume incroyablement élevé.
  • Des nanoparticules de dioxyde de titane sont utilisées pour fabriquer des vitres autonettoyantes et des crèmes solaires.
  • Plusieurs nanoparticules métalliques ont des propriétés antibactériennes.
  • Les nanoparticules peuvent être utilisées comme dispositifs de distribution ciblée de médicaments.
  • Le footballène, le graphène et les nanotubes de carbone sont des allotropes du carbone qui devraient avoir de nombreuses applications importantes dans le futur.

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