Utilisateur:Caroline BYUN/Brouillon1
Un nano-alliage est un mélange de plusieurs métaux ou d'un métal avec d'autres éléments chimiques à l'échelle nanométrique. Un alliage rend les métaux plus intéressants grâce à la combinaison de leurs propriétés. Quand il est nanométrique, il possédera des caractéristiques différentes voire nouvelles par rapport à sa forme normale. Ce sont des particules allant d'une taille de 1 à 100 nanomètres[1].
Histoire modifier
Les nano-alliages sont utilisés depuis de nombreux siècles déjà, sans que les peuples y ayant recours en aient vraiment conscience. Ils étaient alors majoritairement utilisés pour leurs propriétés optiques, c'est-à-dire pour colorer certains objets. Dans les nano-alliages à cette époque, on trouvait principalement des nanoparticules d'argent, d'or et de cuivre. Par exemple, ces nanoparticules sont responsables de la couleur d'un bon nombre de vitraux datant du Moyen Âge. Dans cette même époque, les nano-alliages étaient aussi utilisés pour donner un aspect métallique aux revêtements en céramiques[2].
Dans les plus anciennes utilisations pratiques des nano-alliages, beaucoup sont datées d'au moins l'époque romaine[1]. Les Romains, eux aussi, y avaient recours pour leurs propriétés optiques et pour colorer le verre. L'un des objets les plus connus et les plus anciens est la Coupe de Lycurgue, qui contient des particules de nano-alliages d'argent et d'or[2]. Il date du quatrième siècle apr. J.C.
Néanmoins, c'est au cours du 20ème siècle qu'une véritable fabrication d'alliages nanométriques est devenue possible[3] et plus particulièrement depuis ces 20 dernières années, en réponse à une forte émergence des nanotechnologies[4].
Structure modifier
Les nano-alliages peuvent être classifiés selon leur structure géométrique ou bien selon leur miscibilité.
Il existe 4 différents types de nano-alliages selon leur schéma de miscibilité[5]:
- Une carapace constituée d’un type d’atome qui entoure un noyau composé d’un autre atome (figure 1).
- Un nano-alliage caractérisé par une ségrégation complète ou quasi complète des atomes le composant. Les deux parties peuvent partager la même surface (figure 2a) ou encore être reliées seulement par quelques liaisons entre atomes (figure 2b).
- Les nano-alliages dits « mélangés », lorsque la miscibilité est très bonne. Ils peuvent être ordonnés (figure 3a) ou désordonnés (figure 3b).
- En analogie au premier type énoncé, il peut exister des nano-alliages dits « à couches », comportant un noyau composé d’un atome A, entouré par une carapace d’un atome B, qui sera elle-même encerclée par une autre couche de l’atome A (figure 4).
En ce qui concerne leur structure géométrique, tout comme pour les éléments purs, les nano-alliages peuvent cristalliser sous différentes structures cristallines, par exemple assez fréquemment dans le système cubique à faces centrées. Cependant, des structures non cristallines sous aussi possibles, telles que l’icosahèdre ou le polytétrahède par exemple[5].
Ces informations sont décrites pour un nano-alliage binaire, mais elles sont aussi valables pour des nano-alliages ternaires.
Méthodes de synthèses modifier
Les agrégats sont générés dans plusieurs méthodes différentes : en milieu gazeux, aqueux, sur substrat ou sur une matrice.
Faisceau moléculaire modifier
Le développement des techniques de faisceau moléculaire a permis l’étude des agrégations « libres » dans un environnement d’interaction libre. Ce type de système est appelé « faisceau de grappe »[5].
Les agrégats sont générés par un processus de vaporisation (production des atomes ou de molécules dans la phase gazeuse), par nucléation (condensation initial des atomes ou de molécules pour former un agrégat de noyau), par croissance (ajout de davantage d’atomes ou de molécules à un noyau déjà formé) et par fusion (rapprochement de petits agrégats pour former des agrégats plus volumineux). Les agrégats peuvent très bien se rétrécir par évaporation ou fragmentation. Dans plusieurs expériences de faisceau de grappe, les agrégats initialement formés subissent une expansion supersonique. Ainsi, dans la région de flux libre, les agrégats peuvent éviter des collisions et des études sur leur propriétés peuvent être menés sur un agrégat isolé[5].
De nombreux origines d’agrégats sont compatibles avec cette méthode de synthèse. Cela dépend de leur propriétés réfractaires ou volatiles des métaux utilisés mais aussi de leur nature. Alors on peut générer une distribution de taille importante d’agrégats[5].
Les études les plus récentes sont effectués en condensation de gaz[5].
Réduction chimique modifier
Les particules colloïdales métalliques peuvent être synthétisé par réduction de sels de métaux dissous dans un solvant approprié en présence de tensioactif tels que citrate, alkylthiols ou thioéther, ou des ligands polymériques comme du PVP (PolyVinylPyrrolidone). Cette méthode a été publié en 1857 par Faraday. Différents types de réduction par voie chimique existent : Co-réduction, Réduction successive, Reduction de Co-complexes[5].
Décomposition thermique des complexes de métaux de transition modifier
La décomposition thermique des complexes de métaux de transition de degré de valence faible (des organométallique avec des agrégats ou des sels de métaux nobles) a été utilisé pour synthétiser de nombreux nanoparticules mono- ou bimétalliques. Les résultats sont plus intéressants lorsque la thermolyse a été effectué en présence de ligand tel que le PVP (PolyVinylPyrrolidone). Les principaux nano-alliages synthétisés récement par cette méthode sont Ru6Pd6, Ru6Sn, Ru10Pt2, Ru12Ag4, Ru12Cu4 par voie de thermolyse douce[5].
Par ailleurs, la réduction d’alcool de solution contenant AgNo3/PdOx et Cu/Ox/PdOx a permis de générer des colloïdes Pd-Ag et Cu-Pd [6].
Implantation d’ion modifier
Les nano-agrégats métalliques sur matrice possèdent des propriétés intéressantes dans les domaines optiques, magnétiques, et catalytiques. Il est particulièrement remarquable que la susceptibilité χ de 3ème ordre de l’agrégat soit meilleur que celui de la matrice. L’augmentation de l’indice réfractaire qui dépend de l’intensité pourrait être utile pour une commutation optique. L’implantation séquentiel des ions de deux métaux différents est utilisée pour générer des agrégats bimétalliques. Les nano-alliages Ag-Au, Cu-Pd et Cu-Au, sont générés par cette méthode sur silicium utilisant des faisceaux ioniques avec une énergie de 100 keV[5].
Synthèse par voie électrochimique modifier
C'est une méthode polyvalente pour génerer des nanoparticules mono-ou bimétalliques dans une solution.
Par exemple, les nanocolloïdes Pd-Ni, Fe-Co et Fe-Ni sont préparés en utilisant deux plaques métalliques d'anodes dans une seule cellule d'électrolyse. Les alliages en présence de Pt, Rh, Ru ou Mo, qui sont quasi insolubles en tant qu'anodes, peuvent être génerés par voie électrochimique en réduisant leurs sels au niveau de cathode.
Radiolyse modifier
Une radiolyse des solutions aqueuses est une méthode efficace pour réduire des ions métalliques pour génerer des alliages de mono- ou bimétalliques des métaux de transition. Pour une méthode radiolytique, l'irradiation de l'eau en rayon γ donne lieu à des électrons solvatés qui réduisent les ions métalliques.
Les nanoalliages suivants sont synthétisés par radiolyse : Ag-Au, Cu-Ag, Pd-Ag, Pt-Ag, Pd-Au, Pt-Au, Cu-Pd et Ni-Pt.
Autres modifier
D'autres méthodes existent telles que la biosynthèse, la synthèse par voie sonochimie.
Caractérisations modifier
Il existe différentes méthodes de caractiérisation des nanoalliages : Spectrométrie de masse, Cristallographie aux rayons X, Spectroscopie des rayons X, Microanalyse EDS et EDX, Mesures magnétiques, Spectrométrie de mobilité ionique
Propriétés modifier
Le changement des propriétés des nano-alliages par rapport à leur forme normale peut s'expliquer par la fraction volumique des joints de grains du matériau qui peut devenir plus importante que la fraction volumique des grains eux-même[7].
Bien sûr, la structure, la taille ou même la composition chimique du nano-alliage va influencer sur ses propriétés[8].
Propriétés catalytiques modifier
Les nano-alliages, selon leur composition et leur structure, peuvent montrer des propriétés catalytiques très intéressantes, notamment dues à la synergie des éléments de l'alliage. Ces propriétés concernent principalement l'électrocatalyse de la réaction de réduction de l'oxygène, ou la catalyse de l'oxydation du monoxyde de carbone dans sa phase gazeuse[9].
C'est en fait la combinaison entre l'ordre chimique et structurel de la particule atomique, et de la chimie de surface de cette particule qui déterminera les propriétés catalytiques du nano-alliage[9].
Propriétés optiques modifier
Chaque colloïdale peut être représenté par leur couleur caractéristique grâce aux effets de plasmon. L'absorption caractéristique des particules métalliques est très complexe car elle dépend de plusieurs paramètres : la structure électronique du métal, la taille de l'alliage, le type du plasmon, la nature de l'intéraction entre la surface de l'alliage et la matrice.
Propriétés magnétiques modifier
La combinaison des métaux 3d (Co ou Ni) avec de forts moments mangétiques locales et des métaux 4d (Rh) avec un couplage spin-orbite, peut être un moyen d'obtenir un moment magnétique élevé et de l'anisotropie des particules. De façon similaire, la combinaison de 3d-5d (les nanoalliages Fe-Pt ou Co-Pt) permet un enregistrement de très haute densité magnétique à cause de leur anisotropie magnétique important associé à une haute susceptibilité magnétique.
Principaux nanoalliages modifier
Il existe des des nano-alliages dits bimétalliques, c'est-à-dire composés seulement d'éléments appartenant à la famille des métaux de transition du tableau périodique, ou encore des nano-alliages composés d'un métal de transition et d'un autre élément appartenant à la famille principale des métaux[5]. Ceci peut être généralisé pour un nano-alliage avec plus de deux composants.
Les principaux nano-alliages étudiées dans la recherche présentant de plus grands intérêts sont concentrés sur les dernières colonnes des métaux de transition dans le tableau périodique, à savoir de 8 à 11, voire de 10 à 11 si l'on ne considère que les plus courants. On parlera donc de nano-alliages de groupes 10, 11, 10-11[5].
Voici quelques exemples des principaux nanoalliages utilisés dans la vie de tous les jours.
Par exemple, le nano-alliage Au-Cu (or-cuivre), ou encore Cu-Ag, Au-Ag, ou même Cu-Au-Ag, qui sont de groupe 11.
On peut trouver aussi assez fréquemment des nano-alliages de Ni-Pd, Pd-Pt ou encore Ni-Pt qui sont de groupe 10; ou bien des nanoalliages de groupes 10-11 tels que le Ni-Cu, le Cu-Pt, ou encore le Ni-Au par exemple[5].
Applications modifier
Les nano-alliages trouvent des domaines d'application assez larges aussi bien dans l'industrie que dans la recherche.
Ils sont utilisables majoritairement dans des secteurs tels que l'optique, le magnétisme, ou encore la catalyse; par exemple dans les pots catalytiques pour le secteur automobile. En effet, pour les catalyses, l'intérêt de synthétiser des nano-alliages catalyseurs est économique. Les réactions de catalyse se déroulent à la surface des matériaux, et donc une bonne partie des atomes des catalyseurs sont perdus lors de la réaction. Ces atomes peuvent avoir un certain prix, tels que le Plomb ou le Platine. Les nano-alliages permettent donc de réduire ces pertes[5].
On les trouve aussi fréquemment dans des applications concernant l'opto-électronique ou bien dans des applications en relation avec la médecine (biodiagnostics, cancérologie, santé), du fait de la plus grande résistance, sensibilité et sélectivité qu'offrent les nanoparticules. Tant de caractéristiques que la médecine cherche à améliorer pour ses matériaux[5].
Les nano-alliages sont aussi utilisés en électrochimie, où par exemple les alliages intermétalliques peuvent être utilisés dans des générateurs électrochimiques tels que des batteries Lithium-ion[10].
Références modifier
- http://www.anneechimie.upmc.fr/fr/les_evenements_aic/conferences/mardis_de_la_chimie_2014/nanoalliages.html
- (en) Roy Luigi Johnston et Jess P. Wilcoxon, Metal Nanoparticles and Nanoalloys, Elsevier, (ISBN 9780080963570, lire en ligne), p. 2
- https://www.universalis.fr/encyclopedie/alliages/8-nano-alliages/
- juan, « Simulations Numériques », sur www.icmmo.u-psud.fr (consulté le )
- (en) Riccardo Ferrando, Julius Jellinek et Roy L. Johnston, « Nanoalloys: From Theory to Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles », Chemical Reviews, vol. 108, no 3, , p. 845–910 (ISSN 0009-2665, DOI 10.1021/cr040090g, lire en ligne, consulté le )
- (en) C. N. Ramachandra Rao, Giridhar U. Kulkarni, P. John Thomasa and Peter P. Edwardsb, « Metal nanoparticles and their assemblies », Chem. Soc. Rev., 2000,29, 27-35 DOI:10.1039/A904518J, (lire en ligne)
- Encyclopædia Universalis, « ALLIAGES », sur Encyclopædia Universalis (consulté le )
- « GDR Nanoalliages - Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques », sur www.mpq.univ-paris7.fr (consulté le )
- (en) Shiyao Shan, Jin Luo, Lefu Yang et Chuan-Jian Zhong, « Nanoalloy catalysts: structural and catalytic properties », Catalysis Science & Technology, vol. 4, no 10, , p. 3579-3580 (ISSN 2044-4761, DOI 10.1039/C4CY00469H, lire en ligne, consulté le )
- « Physicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes interfaciaux - Milieux Liquides Ioniques Basses Températures », sur www.phenix.cnrs.fr (consulté le )