Nanomatériaux : objet du quotidien – défis du laboratoire

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20 novembre 2012

Les nanomatériaux sont-ils l’invention des scientifiques? Certes, ils sont maintenant produits quotidiennement au laboratoire et à grande échelle dans l’industrie, mais à y regarder de près, on en trouvait dans notre environnement bien avant que l’homme ne les produise… Pour commencer, que sont-ils au juste : des objets infiniment petits ? Non, si le préfixe nano veut bien dire que ces objet sont tout petits, il en existe d’autres encore plus petits. La nanoparticule est un objet dont la taille, dans au moins l’une de ses dimensions, est de l’ordre du nanomètre (1 à 100 nm, c’est-à-dire entre un et cent milliardième de mètre). C’est très petit, mais déjà beaucoup plus gros qu’un atome, qu’on trouve par milliers dans une seule nanoparticule.

Les objets de cette taille sont très courants dans notre environnement, par exemple dans les minéraux. Et peut-être parce qu’on a toujours besoin d’un plus petit que soi, les organismes vivants utilisent également beaucoup les nanomatériaux : c’est le cas des nanoparticules de fer qui servent de boussole à certaines bactéries et des briques nanométriques de phosphate de calcium que notre corps accumule pour former les os. Les objets de taille nanométrique sont donc partout !

Arrêtons-nous un instant pour bien prendre conscience de ce qui caractérise ces objets : ni leur nature (de l’or, du carbone, …), ni leur structure (certains sont très organisés, certains sont poreux, …), ni leur réactivité chimique, mais leur taille. L’avantage est clair : la définition est simple et très objective. Toute médaille a son revers : « nanomatériau » est un terme générique qui cache une diversité extrême de matériaux, à un point que débattre des « nanoparticules » est vain sans autre précision. D’un point de vue scientifique, le défi n’en est pas moins passionnant car il s’agit de comprendre à un niveau très fondamental l’organisation de la matière.

Observer et manipuler sont des atouts de taille pour comprendre les nanomatériaux. A l’échelle nanométrique, l’observation humaine directe est évidemment impossible. Des techniques d’imagerie à l’échelle nanométrique ont ainsi été élaborées, comme la microscopie électronique : on peut « voir » les nano-objets ! On peut également en connaître la structure avec les techniques de diffraction ou la composition (plus précisément, l’environnement local des atomes) avec les techniques de résonnance magnétique. Dans les deux cas, l’analyse repose sur le fait que le nanomatériau interagit avec son environnement (des rayons X et un champ magnétique, respectivement). L’air de rien, on touche encore du doigt les propriétés fondamentales de la matière.

préparation d’un aérosol, © Sophie Carenco

Si observer les nanomatériaux relève bien d’une prouesse technologique, les manipuler et les synthétiser ne sont pas de moindres défis. Pourtant, les scientifiques n’ont pas attendu les clichés photographiques pour les synthétiser : c’est ainsi qu’au milieu du 19e siècle, Benjamin Faraday fabriquait déjà des nanoparticules d’or ! La synthèse au laboratoire suit aujourd’hui principalement deux approches reposant sur une idée simple : on peut faire un petit objet en cassant des objets plus gros, ou en assemblant des plus petits. Dans le deuxième cas, le chimiste peut profiter des capacités d’auto-assemblage de briques élémentaires. Dans les deux cas, une petite difficulté attend néanmoins le chimiste au cours et à la fin de sa préparation : il faut assurer la stabilité du nanomatériau et lui conférer une durée de vie suffisante et adaptée à son utilisation. La stabilisation du nanomatériau est un problème crucial pour la sécurité environnementale et sanitaire : elle assure en effet qu’il ne réagira pas avec son environnement ce qui est un effet désiré, mais, plus dommageable, les agents stabilisants eux-mêmes peuvent conférer des propriétés toxiques au produit.

stockage de nano © Sophie Carenco

La présentation très didactique du monde des nanomatériaux par Sophie Carenco a l’intérêt de nous montrer la diversité de ces objets, ce qui jouera aussi sur leur toxicité. La description des méthodes d’analyse et de synthèse permet de soulever des questions fondamentales d’intérêt scientifique (et philosophique) sur la matière et, sans doute, de changer notre représentation du monde. L’intérêt ne se résume cependant pas à ce pur plaisir intellectuel. Dans sa préface à l’ouvrage, Eric Gaffet attire notre attention sur le fait que la maîtrise des processus de fabrication est peut-être la clé de la sûreté sanitaire. Il y oppose en effet la démarche longtemps utilisée et toujours très actuelle d’une évaluation au cas par cas de la toxicité des nanomatériaux. Le coût d’une telle démarche s’élève cependant au milliard de dollars. L’addition est un peu salée, mais c’est peu étonnant si l’on considère la diversité des nanomatériaux et de leurs interactions potentielles avec les systèmes biologiques. Plutôt que de se pencher sur le produit fini, il suggère de s’intéresser aux processus industriels et de contrôler le risque sanitaire des nanomatériaux dès leur développement. Dans cette optique, comprendre la nature des nanomatériaux n’est pas suffisant, il faut également en comprendre la synthèse, la fonctionnalisation et la stabilisation. Et c’est bien là le cœur de la démarche de Sophie Carenco : expliquer la caractérisation et le développement des nanomatériaux pour éclairer le débat sur les risques associés aux nanomatériaux.

L’ouvrage se conclut donc sur l’évaluation des risques environnementaux et sanitaires. Sophie Carenco nous incite d’abord à recentrer le débat dans le domaine de la recherche actuelle. La présentation des techniques d’analyse et de synthèse des nanomatériaux se révèle fascinante, mais également très, très éloignée de l’imaginaire collectif parfois associé à ces technologies. L’heure des nano-robots intelligents n’est pas encore venue !

synthèse nanos de nickel © Sophie Carenco

Parmi les nanomatériaux, la forme actuellement la plus répandue est la nanoparticule. La taille et la forme des nanoparticules leur confèrent des propriétés potentiellement inquiétantes : petites, elles se retrouvent par exemple très facilement en suspension dans l’air et au fond de nos poumons. Cependant, il est important de rappeler que les « nanoparticules » sont tout sauf un produit générique, ce simple mot cache une extraordinaire diversité d’objets, et outre la taille qui n’est que la propriété commune des nanoparticules, leur réactivité physico-chimique propre est un déterminant crucial de leur toxicité. L’analyse de la toxicité doit donc se faire pour chaque nanomatériau. L’évaluation toxicologique d’un nanomatériau donné doit également prendre en compte le vecteur (ce qui contient le nanomatériau et qui détermine la distribution qu’il peut avoir dans l’environnement et dans un organisme). Ceci rend encore plus complexe la question de leur toxicité. Evaluer la dangerosité des nanomatériaux ne doit néanmoins pas occulter les bénéfices que ceux-ci apportent aussi. Leur utilisation est devenue très courante dans des domaines technologiques très différents. La médecine n’en est pas exclue !

Pour conclure, pourquoi faut-il s’intéresser aux nanomatériaux, pourquoi faut-il mieux les comprendre ? Pourquoi Sophie Carenco soustrait-elle du temps à sa recherche pour porter au grand public une description actuelle de nos connaissances sur les nanomatériaux ? Evaluer un risque, c’est peser les coûts et les bénéfices. Aucun scientifique ne peut fournir seul cette évaluation qui transcende largement les frontières disciplinaires. Pas plus que les coûts et les bénéfices ne sont figés : on peut les optimiser. Le développement des nanomatériaux est sans doute l’étape clé pour une maîtrise des risques qui leur sont associés. Mais surtout parce que l’arbitrage des risques est une question de société, à la jonction entre le public, le scientifique et l’industriel. C’est dans l’interaction qu’il faut trouver le chemin d’un développement technologique durable et responsable.

 

A propos des auteurs :

Florent Meyniel est co-directeur de la collection Sciences Durables.

Sophie Carenco, ancienne élève de l’Ecole Polytechnique, est docteur en chimie de l’Université Pierre et Marie Curie. Actuellement post-doctorante au Lawrence Berkeley National Lab en Californie. Elle a rédigé Développons les nanomatériaux au cours de sa thèse au laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (Collège de France) et au laboratoire Hétéroéléments et Coordination (Ecole polytechnique).

 

Se procurer l’ouvrage :

http://www.presses.ens.fr/produit.php?ref=978-2-7288-0474-0&id_rubrique=1

http://www.amazon.fr/D%C3%A9veloppons-nanomat%C3%A9riaux-Sophie-Carenco/dp/2728804745/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1351272753&sr=8-1

http://www.cnano.fr/spip.php?rubrique3&lang=fr

 http://blog.mysciencework.com/2012/11/20/nanomateriaux-objet-du-quotidien-%E2%80%93-defis-du-laboratoire.html


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