TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Matériaux – chimie

18. Matériaux nanostructurés et nanocomposites

Description

Une définition désormais largement répandue retient qu'un nanomatériau est composé ou constitué de nano-objets, dont la taille est comprise entre 1 et 100 nanomètres, qui présentent des propriétés spécifiques de l'échelle nanométrique. Les nano-objets sont des particules, fibres ou tubes, qui peuvent être utilisés en tant que tels. Mais on considère plus particulièrement ici deux classes de matériaux incorporant ces nano-objets :

• les matériaux nanostructurés : ceux-ci peuvent être nanostructurés en surface, dans ce cas les nano-objets constituent des éléments de revêtements de surface, ou en volume, les nano-objets sont alors les éléments de matériaux massifs dont la structure intrinsèque nanométrique (porosité, réseau nanocristallin ...) leur confère des propriétés physiques spécifiques. Parmi ces matériaux, on trouve les nanopoudres ;
• les nanocomposites : dans ce cas les nano-objets sont incorporés ou produits dans une matrice, pour apporter une nouvelle fonctionnalité ou modifier les propriétés physiques. La matrice peut être constituée de polymères thermoplastiques, de papier, d'acier, de verre ...

Les propriétés spécifiques des nanomatériaux sont multiples : physiques, magnétiques, mécaniques, optiques, électriques, chimiques, thermiques, tribologiques. Ces propriétés spécifiques découlent notamment de deux caractéristiques des nano-objets, conséquences de leur très faible taille : la quasi-absence de défauts et le fort rapport entre les dimensions de surface et de volume. Par ailleurs, du fait de leurs très faibles dimensions, les nano-objets ont également des propriétés très différentes des matériaux massifs dans les domaines optique, électrique, magnétique, etc.

L'émergence de ces matériaux a été largement encouragée par les progrès des méthodes d'observation, qui doivent être poursuivis. Le développement des nanomatériaux passe encore par la résolution de nombreux défis sur les plans scientifique et technique : compréhension et maîtrise des mécanismes fondamentaux à l'échelle nanométrique ; procédés de fabrication ; impacts, notamment sanitaires ... Pour ce qui est des procédés de fabrication, deux aspects sont à distinguer :

• la fabrication des nano-objets (nanocharges ...) : dans ce cas, l'élément clé est la mise au point de procédés compatibles avec une production industrielle sécurisée. De ce point de vue, les enjeux sont différents entre les nano-objets synthétiques (nanotubes de carbone ...) et naturels (argile, mica, calcaire ...) :
• dans ce cas de l'élaboration des nanomatériaux, le point clé est la maîtrise de la structuration des nano-objets (matériaux nanostructurés) ou de leur répartition optimale dans les matrices (nanocomposites). La production de composites homogènes reste un verrou de l'industrialisation des composites en général.

Les capacités des moyens de simulation et de modélisation deviennent compatibles avec la taille des nano-objets : leur développement bénéficiera de la maîtrise de ces moyens.

Un frein important au développement des nanomatériaux est la diversité des acteurs impliqués. Il existe peu de relations entre les experts capables de mettre au point de nouveaux nano-objets et de les intégrer à des matériaux plus complexes, et les industriels des nombreux secteurs susceptibles d'être intéressés.

Par ailleurs, le développement de ces technologies doit concilier le renforcement de la compréhension des aspects fondamentaux associés et la mise au point de matériaux dont les fonctionnalités répondent aux besoins du marché.

Enjeux, Impact

La large gamme des propriétés des matériaux nanostructurés et des nanocomposites les destine à de très nombreuses applications qui répondent aux enjeux socio-économiques des prochaines décennies.

En matière de développement durable, l'incorporation de nano-objets permet d'obtenir des matériaux aux propriétés améliorées en utilisant moins de matière que les matériaux conventionnels. L'allégement des matériaux à performances mécaniques constantes a pour conséquence de réduire les consommations des moyens de transport sans dégrader leur sécurité, voire en la renforçant. Par ailleurs, les nanomatériaux permettent d'obtenir des systèmes de production d'énergie plus performants, accompagnent le développement des énergies propres et favorisent les économies d'énergie.

Les nanomatériaux contribuent à augmenter la qualité et à développer les fonctionnalités des produits de nombreux secteurs industriels. Ces innovations techniques sont reconnues comme un des leviers les plus efficaces pour maintenir la compétitivité de ces industries.

On sait répondre à plusieurs des grands enjeux socio-économiques en mettant au point des matériaux plus performants. Il est également crucial de vérifier que les nanomatériaux n'ont pas d'impacts négatifs vis-à-vis de ces enjeux. En matière de sécurité et de santé, les effets des nanomatériaux sont d'ores et déjà étudiés par les scientifiques et les industriels. Les enjeux sont très importants, et peuvent être appréciés, a posteriori et probablement à une échelle moindre, par l'observation actuelle des situations dans le domaine de l'amiante. Ces aspects doivent influencer très largement le développement des nanomatériaux, par exemple en privilégiant les voies de synthèse les moins nocives pour la santé des travailleurs.

Marché

La gamme étendue des propriétés nouvelles ou améliorées conférées par l'incorporation des nano-objets a des conséquences sur la multitude des marchés concernés : environnement, énergie, textile, chimie, automobile, aéronautique et spatial, bâtiment, caoutchouc et plastiques, métallurgie, technologies de l'information et de la communication ...

Quelques exemples d'application sont indiqués ci-après : les céramiques nano-poreuses pour la filtration de l'eau ou de l'air ; les matériaux pour électrodes ou électrolytes des piles et batteries (dont les piles à combustible) ; les matériaux pour fibres optiques ; les polymères conducteurs ; les papiers plus résistants ; les bétons et vitrages autonettoyants ...

La Commission européenne a estimé que le marché mondial des nanotechnologies en 2001 était légèrement supérieur à 40 Md€. En 2008, le marché global des produits issus des nanotechnologies devrait atteindre plus de 700 Md€. Le marché des nanomatériaux est estimé à 340 Md$ par an à l'horizon 2015. Il représenterait un tiers du marché global des nanotechnologies. On estime qu'à l'horizon 2015, plus de 2 millions de personnes dans le monde auront une activité dans le domaine des nanotechnologies entraînant, en conséquence, un besoin croissant de formation à tous les niveaux. Le marché américain des nanomatériaux a été évalué à 109 M€ en 2000. Dès 2007, celui-ci devrait atteindre 900 M€ et 30 Md€ en 2020.

Le marché mondial des nanoparticules pour des applications biomédicales, pharmaceutiques et cosmétiques a été estimé à 85 M€ en 2000 et devrait atteindre 126 M€ en 2005, soit un taux de croissance annuel moyen de 8,3 %. Il s'agit du marché représenté par les particules inorganiques utilisées pour produire des agents antimicrobiens, des marqueurs biologiques pour la recherche et le diagnostic, des procédés de séparation biomagnétiques, des vecteurs d'administration de médicaments, des milieux de contraste pour l'imagerie à résonance magnétique, des dispositifs orthopédiques et des écrans de protection solaire.

Le marché mondial des nanoparticules pour des applications liées à l'énergie a été estimé à 54,5 M€ en 2000 et devrait atteindre 77 M€ en 2005, soit un taux de croissance annuel moyen de 7 %. Ce marché est porté par la prise de conscience de l'importance de la protection de l'environnement. Les nanoparticules sont utilisées en tant que supports de catalyse dans l'industrie automobile, membranes céramiques, piles à combustibles, photocatalyse, propulseurs et explosifs, revêtements antirayures, céramiques structurales, revêtement par vaporisation thermique.

La production annuelle mondiale des nanocomposites quant à elle se limite actuellement à quelques milliers de tonnes, principalement pour la câblerie et l'emballage. Mais en 2010, on s'attend à ce que cette production passe à 500 000 tonnes par an. Des marchés ont été identifiés dans les secteurs des transports, de l'ingénierie et de la haute technologie grâce aux propriétés de ces matériaux qui permettent l'allégement, le renfort des structures et une conception différente des pièces avec, par exemple, la possibilité de travailler sur la réduction d'épaisseur. Dans le cas particulier des nanocomposites polymères, le marché devrait représenter, en 2008, 36 000 t, soit une valeur de 211 M$.

Acteurs

Disciplines scientifiques : chimie physique, chimie analytique, chimie moléculaire, chimie du solide, matériaux, optique, physique des milieux dilués, génie des procédés, mécanique, génie des matériaux.

Compétences technologiques : optique, analyse, mesure et contrôle, chimie macromoléculaire, traitements surface, matériaux – métallurgie.

Pôles de compétitivité : Minalogic (Rhône-Alpes), Mipi (Lorraine), Chimie-environnement Lyon (Rhône-Alpes).

Un des projets de coopération du pôle Mipi (Matériaux innovants - Produits intelligents) traite des « nanomatériaux et des alliages complexes ». Le pôle Chimie-environnement Lyon consacre une partie de ses travaux aux thermoplastiques renforcés de nanocharges. Minalogic traite des matériaux pour les nanotechnologies. Les nanomatériaux touchent également les activités d'autres pôles (Pôle plasturgie, Techtera, ...).

Liens avec (technologies): textiles techniques et fonctionnels, architecture et matériaux pour l'allégement des véhicules, gestion de la micro-énergie, matériaux pour l'électronique et la mesure, fonctionnalisation des matériaux, micro et nanocomposants, nouveaux procédés de traitement de surface, procédés de mise en forme de matériaux innovants.

Principaux acteurs français : une base de données des acteurs français des nanomatériaux est accessible en ligne à l'adresse www.nanomateriaux.org

Centres de compétences : CEA, Ineris, LCCFP (Toulouse), NRG (Belfort) ... La liste des laboratoires impliqués dans le domaine des nanomatériaux fonctionnels peut être identifiée à l'adresse www.nanomat.fr

Industriels : Arkema, DG TEC, Marion Technologies, Nanoledge.

Le projet européen Nanosafe2, qui traite des effets sur la santé des procédés de production des nanomatériaux, associe notamment plusieurs partenaires français : Arkema, DG TEC, Ecrin, CEA, Ineris, Inserm.

Les nanomatériaux sont concernés par les activités du Réseau national matériaux et procédés (RNMP), et du Réseau de recherche en micro et nanotechnologies (RNMT).

Exemples d'acteurs dans le monde : Conoco Philips (États-Unis), CNI (États-Unis), Hyprion (États-Unis), Nanocyl (Belgique), Mitsui (Japon), Showa Denko (Japon), Sumitomo(Japon) ...

Commentaires

La France compte peu d'acteurs concernés directement par la production de nano-objets, comme Arkema ou Nanoledge dans le domaine des nanotubes de carbone. Les acteurs engagés dans les matériaux nanostructurés ou les nanomatériaux sont plus difficiles à identifier et susceptibles d'être présents dans de nombreux secteurs d'activité. De grands groupes industriels sont concernés tels Arecelor, Lafarge, Saint Gobain ...

© Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie,
Direction Générale des Entreprises, 12/2006