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Association des Centraliens de Lyon

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09 décembre 2019

Les nanomatériaux : quelles applications et pour quand ?

Connus des laboratoires de recherche depuis de très longues années, les nanomatériaux sont des matériaux dont une des dimensions au moins est de taille nanométrique (1-100 nm). Leur intérêt réside principalement dans leur petite taille et dans les propriétés potentielles que des arrangements d’atomes organisés en structures aussi fines peuvent présenter. Parmi ces nanomatériaux à fort potentiel, on peut citer notamment les nanotubes de carbone, le graphène ou encore les nanoargiles.

Cependant ces nanomatériaux sont encore mal connus des industriels, pour lesquels le niveau de maturité des recherches est encore trop faible pour envisager une utilisation à grande échelle. Les coûts de production sont trop élevés, leur manipulation est délicate et leur impact sur la santé et l’environnement encore très peu étudié.


La plupart de ces matériaux représentent néanmoins une grande opportunité pour de nombreux domaines, notamment pour la nanoélectronique. Ainsi, les nanotubes de carbone possèdent par exemple une conductivité électrique très élevée (capacité de transport d’électrons 1000  fois supérieure à celle du cuivre) avec une très faible dimension qui peut permettre des applications nouvelles, en ligne avec la miniaturisation toujours plus importante des systèmes électroniques.

L’industrie exprime  également un fort intérêt pour une utilisation plus large de ces nanomatériaux en tant « qu’additifs »  (appelés « charges ») pour les matériaux conventionnels tels que les polymères (polypropylène, polyuréthane, résines epoxy etc.) afin d’en améliorer les propriétés.

Parmi les nanomatériaux prometteurs pour ces différentes applications, le graphène (graphite qui serait séparé en couches élémentaires appelées « feuillets », chaque « feuillet » correspondant à du graphène) possède un potentiel intéressant en tant que nanocharge multifonctionnelle, qui pourrait à terme venir suppléer, voire remplacer des charges traditionnelles telles que le noir de carbone, très largement utilisé dans les élastomères pour pneumatiques par exemple, en permettant d’obtenir des propriétés largement supérieures, à des taux de charge très faibles (moins de 1 % au lieu de 30 % ou plus). Ainsi, il a été montré dans de nombreuses publications que le graphène permettait d’améliorer les propriétés mécaniques (ex : plus grande résistance à la traction), de conductivité thermique, de conductivité électrique et de diminuer  fortement la perméabilité des matériaux dans lesquels cette charge est dispersée. Cela permet par exemple de rendre un élastomère conducteur par l’ajout d’un petit pourcentage d’un nanomatériau.


On peut également imaginer des films plastiques très fins moins perméables à l’air, des pièces polymères légères pouvant offrir des applications structurelles (particulièrement intéressantes dans le domaine de l’aéronautique), des pneumatiques permettant une plus grande dissipation thermique, etc.

Le verrou technologique principal à l’essor de ces technologies réside dans la capacité à disperser efficacement ces nanocharges dans des matériaux. En effet, les feuillets de graphène ont une très forte tendance à s’agglomérer pour former des structures proches de celle du graphite, aux propriétés nettement moins impressionnantes que le graphène. Le défi pour les chercheurs et les industriels réside donc essentiellement dans le développement de techniques de dispersion appropriées pour atteindre les propriétés tant espérées.

 

Un avenir très lointain ?

Bien que la perspective de produire des nanocharges en grande quantité et à de faibles coûts semble aujourd’hui lointaine, il existe déjà de nombreux développements visant à proposer des structures intermédiaires entre les nanocharges et les charges traditionnelles. Par exemple, les « nanoplaquettes de graphite » (« faible » empilement de feuillets de graphène) tentent de se généraliser, et sont abusivement qualifiées de graphène par les industriels bien que leurs propriétés en soient largement inférieures, et elles se retrouvent déjà dans certains produits tels que les raquettes de tennis.

Néanmoins, l’utilisation de charges réellement nanométriques semble aujourd’hui plutôt réservée à la nanoélectronique « high tech » mais pourrait se généraliser à l’avenir selon l’avancée des études académiques dans ce domaine.


Quelle transition entre la recherche et l’industrie ?

Bien que le monde du nano soit initialement plutôt réservé au monde académique, les opportunités importantes que représente le développement des nanomatériaux ont rapidement poussé les industriels à se lancer eux aussi dans des grands projets. De plus, étant à la frontière entre de nombreux domaines, les nanomatériaux ont donné lieu à la mise en place de larges programmes de financement, le plus emblématique et ambitieux étant le Flagship Graphène de l’Union Européenne, lancé en 2013 et doté d’un milliard d’euros. L’objectif principal est d’encourager la recherche académique et les transferts de technologie vers l’industrie des travaux sur le graphène, nanomatériau isolé pour la première fois en 2004 et jugé très prometteur pour de nombreux domaines.

Des programmes nationaux spécifiques aux nanomatériaux existent également tels que le plan Nano 2022 visant à soutenir la recherche dans le domaine de la nanoélectronique. Ces financements viennent s’ajouter aux dispositifs existants tels que les projets ANR (agence nationale de la recherche), FUI (fonds unique interministériel) ou encore le CIR (crédit impôt recherche). Ce dernier vise à soutenir l’effort de R&D des entreprises en France, en proposant un crédit d’impôt couvrant jusqu’à 30 % des dépenses de R&D éligibles quel que soit le domaine.

Le CIR permet ainsi aux entreprises de se rapprocher des laboratoires académiques et d’accélérer leurs projets de R&D orientés vers l’industrie, notamment dans le domaine des nanomatériaux.

(Plus d’informations : innovatech-conseil.fr)

Auteur

Alice Pazat (ECM 2013 et double diplôme KTH (Stockholm) dans le domaine des polymères), a réalisé une thèse en contrat industriel CIFRE avec le laboratoire de recherches et de contrôle du caoutchouc et des plastiques (LRCCP) sur la préparation de nanocomposites performants élastomère-graphène modifiés chimiquement. Elle a ensuite apporté son expertise en matière de R&D aux clients d’Innovatech Conseil pour les accompagner dans la rédaction de leurs dossiers scientifiques pour le crédit Impôt Recherche. Désormais, elle met à profit son savoir-faire dans le domaine des oléfines et polymères au sein d’INEOS en tant qu’ingénieur optimisation.

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