Le cadre théorique des nanoparticules révèle une méthode innovante de synthèse par sol-gel non-aqueux, transformant leur efficacité dans la dégradation du phénol. Cette recherche, essentielle pour l’environnement, offre des perspectives inédites sur les propriétés physico-chimiques de ces matériaux catalytiques.
Les nanoparticules :
Définition :
Une nanoparticule est une particule de taille nanométrique, constituée de quelques dizaines à plusieurs centaines de milliers d’atomes formant un objet de dimension inférieure à 100 nm. Elles constituent un état intermédiaire entre l’atome et le matériau massif. Les nanoparticules de taille inférieure à 10 nm sont usuellement appelées points quantiques [8].
Les nanoparticules se situent sur l’échelle du monde vivant entre l’hélice d’ADN (3,4 nm) et un virus (100 nm). La plupart des nanoparticules sont des agrégats de petites molécules ou d’atomes.
La figure 2: illustre l’échelle du nanomètre par rapport à des matières comme l’ADN, ou l’atome de Carbone…
Figure 2 : Les frontières du nanomonde [9].
Les sources des nanoparticules :
Les Nanoparticules sont présentes partout, dans notre corps, elles nous entourent. En effet, les sources de nanoparticules sont diverses, mais il existe trois grandes sources d’émission [10] :
- Les nanoparticules d’origine naturelle, qui sont émises par la nature lors des accidents et catastrophes naturels, tels que les fumées des volcans, ou les poussières émises lors de l’érosion des sols par le vent ou l’eau…
- Les nanoparticules artificielles d’origine anthropique non intentionnelle, issues des activités humaines, mais pas de façon intentionnelle, telles que les particules émises des gaz d’échappement des transports et des industries, la fumée des cigarettes…
Ces deux premiers types de Nanoparticules sont appelés des « Particules ultra fines » [11].
- Les nanoparticules artificielles d’origine anthropique intentionnelle, Ce sont des particules fabriquées par l’Homme d’une façon intentionnelle pour des applications industrielles ou médicales…, telles que les nanotubes de carbone, les oxydes métalliques, etc.
Ce troisième type de nanoparticules est appelé des « nanoparticules manufacturées » [11].
Les classifications des nanoparticules :
Nous allons maintenant présenter la classification des nanoparticules d’origine anthropique, qui est la plus communément utilisée dans les publications scientifiques [12] :
Les nanoparticules inorganiques :
- Les métaux : le plus étudié est l’or mais il y aussi le platine, le palladium, le fer, le cobalt, le nickel, etc.
- Les oxydes métalliques : les plus couramment rencontrés sont la silice, le dioxyde de titane et l’oxyde de zinc.
- Les pointes quantiques : les points quantiques sont typiquement composés de combinaisons d’éléments des groupes II et IV ou des groupes III et V du tableau périodique. Ils ont été élaborés sous forme de semi-conducteurs, d’isolants, de métaux, de matériaux magnétiques ou d’oxydes métalliques.
Les nanoparticules organiques :
- Les polymères organiques : comme le chlorure de polyvinyle ou le latex. Ils se présentent majoritairement sous forme de nano-fils même si de nouvelles structures apparaissent.
- Les nanoparticules d’inspiration biologique : elles sont très diversifiées mais la structure la plus commune se compose d’une substance biologique encapsulée, emprisonnée ou absorbée à la surface d’une nanoparticule. Y sont observés les lipides, les peptides et les polysaccharides utilisés comme vecteurs pour le transport de médicaments, récepteurs et agents chimiques. Les liposomes, micelles ou polyplexes sont des nanoparticules d’inspiration biologique.
Les nanoparticules inorganiques à base de carbone :
- Les fullerènes : ce sont des cages constituées d’atomes de carbones liés à trois autres atomes.
- Les nano-feuillets de graphène : c’est une série de couches superposées d’un réseau hexagonal d’atomes de carbone, chacun étant lié à 3 carbones voisins.
- Le noir de carbone : des nanoparticules en grande partie sphérique sont liées en agrégats qui interagissent entre eux pour former des agglomérats pouvant atteindre 500 nm.
Figure 3:Différentes types de nanoparticules [13].
Les caractéristiques des Nanoparticules :
Les Nanoparticules ont des caractéristiques très différentes de celles des atomes ou autres matériaux. Elles leurs sont spécifiques, et nous permettent de les classer. Les principales caractéristiques des NPs sont :
La Taille :
Grâce à leur petite taille nanométrique, les Nanoparticules ont la particularité d’avoir 2 types de dispersion :
- Monodispersion: une seule et même taille.
- Polydispersion : une gamme de plusieurs tailles plus ou moins importantes.
La taille nanométrique de ces particules leur confère un rapport surface / volume très élevé. Comme le montre la figure 4, plus la taille d’une particule diminue plus le nombre d’atomes se trouvant en surface ou sub-surface augmente. Ainsi, la réduction de la taille fait apparaitre des phénomènes quantiques [14].
Figure 4: Fraction d’atomes se situant dans la couche de surface et sub-surface (0.5 nm d’épaisseur) d’une particule en fonction de son diamètre [14].
La surface spécifique :
On entend par « surface spécifique » la surface réelle totale d’une particule par unité de masse de produit par rapport à sa taille apparente, plus grande est l’aire de surface, plus grand sera le nombre d’atomes se trouvant au pourtour des NPs, leur allouant des propriétés réactives prééminentes par rapport à leurs homologues micrométriques [15].
La forme :
Les Nanoparticules sont caractérisées par leurs diverses formes (sphériques, tubes, plaques…), tellement nombreuses qu’il est difficile de toutes les classer.
La figure suivante illustre quelques formes de Nanoparticules :
Figure 5: Différentes formes de Nanoparticules [16].
L’agrégation et l’agglomération :
Grâce à leur surface particulière et selon le milieu dans lequel elles se trouvent, les Nanoparticules peuvent se présenter sous 3 formes :
- Nanoparticules primaires : nanoparticules libres
- Agglomérats : ce sont des liaisons de Nanoparticules primaires par des liaisons très faibles telles que les liaisons de Van Der Waals.
- Agrégats : ce sont des liaisons des Nanoparticules primaires par des liaisons chimiques très fortes telles que les liaisons de covalence.
La figure suivante illustre ces trois différentes formes de regroupement :
Figure 6: agglomérats et agrégats [17].
Les Propriétés physicochimiques de nanoparticules :
Les propriétés physiques et chimiques des NPs peuvent différer des propriétés du matériau en vrac correspondant en raison d’effets quantiques et de surface d’échange qui dépendent de la taille [18].
Tableau 01 : quelques propriétés pertinentes des nanoparticules [19].
| Tableau 01 : quelques propriétés pertinentes des nanoparticules | |
|---|---|
| Paramètre/Critère | Description/Valeur |
| Propriété 1 | Description 1 |
| Propriété 2 | Description 2 |
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Questions Fréquemment Posées
Qu’est-ce qu’une nanoparticule?
Une nanoparticule est une particule de taille nanométrique, constituée de quelques dizaines à plusieurs centaines de milliers d’atomes formant un objet de dimension inférieure à 100 nm.
Quelles sont les sources des nanoparticules?
Les sources de nanoparticules sont diverses, mais il existe trois grandes sources d’émission : les nanoparticules d’origine naturelle, les nanoparticules artificielles d’origine anthropique non intentionnelle, et les nanoparticules artificielles d’origine anthropique intentionnelle.
Comment sont classées les nanoparticules?
Les nanoparticules d’origine anthropique sont classées en nanoparticules inorganiques, nanoparticules organiques, et nanoparticules inorganiques à base de carbone.