Vidéo de la leçon: Les nanoparticules Chimie • Première année secondaire

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre ce que sont les nanoparticules, comment les identifier, ainsi que décrire certaines de leurs propriétés et de leurs utilisations.

Le mot nanoparticule est composé de «nano» et «particule». Dans le langage courant, nano signifie que quelque chose est très petit, encore plus petit que micro. En science, on utilise nano comme préfixe spécialement pour les unités, et cela signifie un milliardième de. Vous pourrez le trouver exprimé comme 1 divisé par un milliard, 1 divisé par 10 à la puissance neuf, ou 10 à la puissance moins neuf. Un nanomètre est égal à 10 puissance moins neuf mètre, et un milliard de nanomètres est égal à un mètre. Vous pourrez trouver nm comme abréviation de nanomètre.

Alors, est ce que ceci signifie qu’une nanoparticule correspond au milliardième d’une particule ? Je vais vous expliquer. Les particules n’ont pas de taille définie. Qu’en est-il des particules de taille nanométrique? C’est logique, bien que cela ne soit pas très utile ! Il n’y a pas beaucoup de particules qui mesurent exactement un nanomètre. En fait, les scientifiques utilisent le mot nanoparticule pour décrire toute particule qui est à peu près uniforme et dont la hauteur. la largeur et la profondeur sont comprises entre 1 et 100 nanomètres.

Donc, pour être qualifiée de nanoparticule, celle-ci doit pouvoir entrer dans une boîte de 100 nanomètres par 100 nanomètres par 100 nanomètres. Presque toutes les substances solides peuvent être converties en nanoparticules. On peut fabriquer des nanoparticules de sel, des nanoparticules d’or et même des nanoparticules de bois. Certaines nanoparticules sont composées de molécules identiques. Il existe un assemblage de carbone appelé buckminsterfullerène, formant une enveloppe parfaite constituée de 60 atomes de carbone, et mesurant environ un nanomètre de diamètre.

Mais un nanomètre, c’est petit comment exactement ? Bien, commençons par quelque chose que vous pouvez concevoir, comme une règle d’un mètre de long. Coupez-la en deux, et il vous en restera 50 centimètres. Coupez-la de nouveau en deux, et ne elle mesurera plus que 25 centimètres. Si vous continuez à la couper en deux, vous finirez par arriver à quelque chose qui mesurera un nanomètre, et ce, au bout d’un total de 30 coupures. Donc, comment comparer ceci à la taille d’autres objets ?

D’un côté, nous avons un morceau de charbon d’environ 5 centimètres de diamètre qui peut tenir dans la paume de votre main. De l’autre, nous avons un seul atome de carbone d’environ un quart de nanomètre. Nous pouvons prendre le gros morceau de charbon et le broyer pour le réduire en plus petits morceaux. On appelle « particules grossières » les particules mesurant entre 2 500 et 10 000 nanomètres. Si nous continuons à broyer, nous finirons par obtenir des particules fines, de taille comprise entre 100 et 2 500 nanomètres. Et si nous continuons ainsi, nous pourrions casser ces particules fines et les convertir en nanoparticules de taille comprise entre 1 et 100 nanomètres.

Examinons maintenant combien d’atomes ou d’ions vous pourriez trouver dans une nanoparticule. Il existe de très, très nombreux types de nanoparticules, et certaines d’entre elles ont des structures très inhabituelles. Au fur et à mesure que les particules deviennent plus petites, les atomes ou encore les ions ne s’assemblent pas aussi parfaitement que dans les particules plus grosses. Pour faire simple, observons juste les nanoparticules de métal. Les particules de métal ont tendance à garder la même structure en rapetissant.

Pour que cela soit intéressant, regardons plusieurs métaux à la fois: le lithium, le potassium et le césium, qui sont trois métaux alcalins. Examinons combien d’atomes on s’attend à trouver dans une particule d’un diamètre de 1, 10 ou 100 nanomètres. Dans une particule de lithium d’un nanomètre, on s’attend à trouver environ 24 atomes, alors qu’une particule de césium d’un nanomètre n’en contient que 5. Une particule d’un nanomètre a un volume fixe. Dans le même volume, nous pouvons faire entrer quelques gros atomes, et plus de petits atomes. Nous pouvons faire entrer beaucoup plus d’atomes dans une particule plus grande. Donc, dans une particule de lithium de 10 nanomètres, on s’attend à trouver environ 24 000 atomes. Et dans une particule de césium de 10 nanomètres, on s’attend à n’en trouver que 4 600.

Et nous effectuons un autre grand saut lorsque nous augmentons le diamètre d’un facteur 10, avec 24 millions d’atomes de lithium ou 4 600 000 atomes de césium dans une particule de 100 nanomètres. Toutefois, gardez bien à l’esprit que ce ne sont que des estimations basées sur la manière dont nous visualisons les atomes de métal s’assembler à plus grande échelle. Mais ce que nous constatons, c’est que les nanoparticules peuvent contenir très peu d’atomes (comme 5 atomes dans une particule de césium d’un nanomètre), ou un très grand nombre (comme 24 millions d’atomes de lithium dans une particule de 100 nanomètres) .

Maintenant, nous savons ce que sont les nanoparticules et nous savons les décrire. Mais pourquoi leur avoir donné un nom au départ ? Souvent, les chimistes nomment une chose en fonction de leur comportement. Cependant, les nanoparticules n’incarnent pas un groupe de substances identiques. Les nanoparticules ont tendance à se comporter différemment que de plus grosses particules de la même substance. Nous nous attendons à ce que des substances comme les alcanes aient un comportement chimique similaire.

Alors, imaginons que nous transformons une substance en nanoparticule. Puis, que nous la comparons à une autre substance que nous avons également transformée en nanoparticule. Les propriétés chimiques de cette petite nanoparticule seront plus proches de celles d’une plus grande particule de la même substance, que de celles d’un type différent de nanoparticule.

Maintenant, intéressons-nous à ce qui rend une nanoparticule spéciale. La première caractéristique est qu’elles ont des rapports surface/volume beaucoup plus élevés que les grosses particules, ce qui les rend beaucoup plus réactives. Imaginons un cube de sucre d’un centimètre de côté. Le volume de ce cube est d’un centimètre multiplié par un centimètre multiplié par un centimètre, soit un centimètre cube. Un cube a six faces et chaque face mesure un centimètre sur un centimètre. Donc, l’aire totale est de six centimètres carrés. Cela nous donne un rapport surface/volume de six centimètres carrés pour chaque centimètre cube.

Imaginons maintenant que nous ayons exactement le même volume, donc la même quantité de matière, mais subdivisé en cubes de 100 nanomètres par 100 nanomètres par 100 nanomètres. Comme je vous ai dit, nous utilisons exactement la même quantité de matière. Donc, elle a le même volume, mais chaque particule a une surface exposée beaucoup plus importante. Et l’aire totale est de 600 000 centimètres carrés. Ce qui nous donne une surface 100 000 fois plus grande.

Donc, en négligeant tout autre facteur, simplement parce qu’elles sont de si petite taille, les nanoparticules sont susceptibles d’être plus réactives, plus inflammables et de meilleurs catalyseurs. Vous pouvez utiliser moins de matériau pour avoir la même surface et la même activité catalytique.

La lumière visible a des longueurs d’onde comprises entre 700 et 400 nanomètres. Réduites à la taille de nanoparticules, certaines substances absorbent plus de lumière, d’autres absorbent moins de lumière. À échelle humaine, l’or est brillant, et bien évidemment, doré. Mais les nanoparticules d’or interagissent de manière particulière avec la lumière et paraissent de couleur rouge lorsqu’elles sont en suspension dans une solution. De même, le dioxyde de titane est un pigment blanc utilisé dans les peintures. Mais les nanoparticules de dioxyde de titane en suspension dans l’eau ou étalées en fine couche d’écran solaire, sont invisibles pour l’œil humain, bien quelles absorbent toujours les dangereux rayons ultraviolets.

Enfin, une caractéristique importante des nanoparticules: elles sont suffisamment petites pour aller là où les plus grosses particules ne peuvent aller. Les nanoparticules peuvent pénétrer dans les cellules humaines, où elles peuvent libérer des médicaments, être détectées par la lumière ultraviolette, ou encore être utilisées pour détruire les cellules cancéreuses. Elles peuvent également être utilisées pour établir un circuit microscopique. Cependant, il est difficile de prévoir comment les nanoparticules vont se comporter dans le corps humain ou dans l’environnement. Il est donc important de les tester en premier.

Que de grosses particules soient sans danger ne signifie pas que les nanoparticules le soient aussi. En tant que société, nous devons faire attention aux nanoparticules que nous relâchons, car certaines d’entre elles peuvent causer beaucoup de dommages, s’accumuler suffisamment dans l’écosystème et finir par tuer plantes et animaux. Nous savons maintenant ce que sont les nanoparticules, ce qui les rend spéciales et comment les qualifier. Entraînons-nous un peu !

Le cheveu d’un être humain a un diamètre de 80 000 nanomètres. Combien de nanoparticules d’un diamètre de 50 nanomètres tiendraient dans l’épaisseur d’un cheveu humain ? Donnez votre réponse au nombre entier le plus proche.

L’épaisseur des cheveux humains varie beaucoup, mais elle est généralement de 100 micromètres, soit environ 100 000 nanomètres. Le cheveu que l’on nous a donné a un diamètre de 80 000 nanomètres, ce qui est un peu plus fin. Les nanoparticules sont des particules d’un diamètre compris entre 1 et 100 nanomètres. Les nanoparticules que nous allons utiliser ont un diamètre de 50 nanomètres. Je suppose que, dans ce cas, nous avons affaire à des nanoparticules sphériques.

Notre travail consiste à déterminer combien de ces nanoparticules, placées côte à côte, tiendront sur le diamètre d’un cheveu humain. Cela signifie que nous devons déterminer combien de nanoparticules il faudra aligner pour obtenir une ligne mesurant 80 000 nanomètres. Il ne faut pas trop y réfléchir, et placer les nanoparticules à la surface du cheveu. Pour déterminer le nombre de nanoparticules nécessaires, il suffit simplement de prendre le diamètre du cheveu et de le diviser par le diamètre de la nanoparticule.

Nous entrons nos valeurs et obtenons 80 000 nanomètres divisés par 50 nanomètres. Nous n’avons pas spécialement besoin de calculatrice pour cela, car nous constatons que 50 répété 16 fois font 800, et donc que 50 répété 1 600 fois font 80 000. Nous obtenons ainsi notre réponse qui est : 1 600 nanoparticules. Et nous avons aussitôt notre réponse au nombre entier le plus proche.

Notre prochain exercice porte sur les applications des nanoparticules dans les crèmes solaires.

Les nanoparticules sont utilisées dans les crèmes solaires. Laquelle des raisons suivantes ne peut pas être considérée comme un avantage à l’ajout de nanoparticules dans les écrans solaires ? (A) Les nanoparticules dans les crèmes solaires offrent une meilleure protection contre les rayons UV. (B) Les nanoparticules dans les crèmes solaires offrent un meilleur recouvrement de la peau. (C) Les nanoparticules dans les crèmes solaires donnent un liquide transparent. (D) Les nanoparticules dans les crèmes solaires sont absorbées plus profondément dans la peau et offrent une protection plus longue. ou, (E) Les nanoparticules dans les crèmes solaires peuvent se disséminer dans l’environnement.

Les nanoparticules sont des particules de taille comprise entre 1 et 100 nanomètres. Les crèmes solaires contiennent généralement des particules de dioxyde de titane, qui permettent d’absorber les rayons UV et aident à prévenir les coups de soleil. Notre travail consiste à identifier laquelle de ces cinq affirmations ne représente pas un avantage à ajouter des nanoparticules de dioxyde de titane à la place de grosses particules dans les crèmes solaires.

La première affirmation suggère que les nanoparticules dans les crèmes solaires offrent une meilleure protection contre les rayons UV que les plus grosses particules. Il est difficile de comprendre comment la taille d’une particule va affecter la façon dont elle absorbe la lumière ultraviolette, je reviendrai donc sur cette affirmation plus tard.

La deuxième allégation suggère que les nanoparticules dans les crèmes solaires offrent un meilleur recouvrement de la peau. À première vue, on pourrait penser que les grosses particules couvriront une surface aussi bien que les petites particules. Mais en réalité, la peau est assez rugueuse et inégale. Des petites particules s’inséreront bien mieux que les plus grosses dans les trous et les interstices. Et vous utiliserez une plus grande quantité de petites particules pour couvrir la même surface. Le fait que les nanoparticules offrent un meilleur recouvrement de la peau que les grosses particules dans les crèmes solaires est un réel avantage. Ce n’est donc pas notre réponse.

La proposition suivante est que les nanoparticules dans les crèmes solaires donnent un liquide transparent. Les gros morceaux et les grosses particules de dioxyde de titane sont blancs. Mais les nanoparticules sont plus petites que la longueur d’onde de la lumière visible, et les nanoparticules de dioxyde de titane apparaissent incolores en film mince ou en solution. Ainsi, les nanoparticules dans les crèmes solaires ne donnent pas une couleur blanche au liquide, ce qui, d’un point de vue commercial, est un point positif car les gens ne veulent pas de traces blanches sur leur peau lorsqu’ils s’appliquent de la crème solaire.

La suggestion suivante est que les nanoparticules dans les crèmes solaires sont absorbées plus profondément dans la peau et offrent une protection plus longue. Les nanoparticules de dioxyde de titane peuvent pénétrer dans les espaces de votre peau beaucoup plus profondément que les grosses particules et, par conséquent, y rester plus longtemps et ainsi offrir une protection plus durable. Donc, cela est aussi vrai. Nous comprenons qu’une absorption plus en profondeur, conférant une protection de plus longue durée et un meilleur recouvrement de la peau, permet aux nanoparticules d’offrir une meilleure protection contre les rayons UV que les plus grosses particules.

Il ne nous reste plus que la dernière proposition : les nanoparticules dans les crèmes solaires peuvent se disperser dans l’environnement. À première vue, on pourrait penser que ceci est un avantage. Personne ne veut avoir de la crème solaire qui lui colle à la peau au retour de la plage. Pourtant, bien que les grosses particules de dioxyde de titane soient considérées comme sans danger, il n’a pas été démontré que les nanoparticules étaient sans danger dans toutes les situations. Il se peut que, tôt ou tard, nous découvrions que cela endommage l’environnement sans que nous comprenions encore comment. Donc, en attendant d’en savoir plus, il serait préférable d’éviter de disperser des nanoparticules dans l’environnement.

Maintenant, résumons les points clés. Une nanoparticule est simplement une très petite particule de matière d’un diamètre de 1 à 100 nanomètres. Un milliard de nanomètres équivaut à un mètre. Les nanoparticules peuvent être composées de nombreuses substances différentes. Certaines nanoparticules sont sans danger, d’autres sont nocives, et nous avons encore beaucoup à apprendre sur bon nombre d’entre elles.

Les nanoparticules ont des rapports surface/volume beaucoup plus élevés que les grosses particules. Cela les amène généralement à réagir plus rapidement que les grosses particules, et être de meilleurs catalyseurs. Certaines nanoparticules interagissent avec la lumière de façon particulière, ce qui signifie qu’un matériau en apparence ordinaire peut avoir un comportement unique. Et enfin, certaines nanoparticules peuvent accéder à des endroits inaccessibles aux plus grosses particules.