L’utilisation du feu pour produire des nanoparticules pourrait révolutionner diverses industries

Keroles Riad, Carleton University

Le feu est sans doute la première découverte de l’humanité. Il a joué un rôle essentiel dans l’évolution de la société – il est à la base de nombreuses inventions qui ont transformé l’humanité, qu’il s’agisse de cuisiner, de forger des armes, de produire de l’énergie ou de mettre au point des moteurs à combustion pour les voitures.

Aujourd’hui, le feu continue d’être la porte d’entrée de certaines des nanotechnologies les plus pointues actuellement développées pour être utilisées dans les traitements contre le cancer et comme capteurs d’haleine pour la détection précoce du diabète et d’autres maladies métaboliques. nanotechnologies utilisées dans les vaccins à ARNm qui nous ont aidés à surmonter la pandémie, et j’ai animé des conversations sur la façon dont les nanotechnologies affectent notre vin, nos intestins et le climat.

Par exemple, les capteurs de gaz incorporant des nanoparticules fabriquées par le feu peuvent être utilisés pour vérifier qu’il n’y a pas de méthanol dans les boissons alcoolisées. Le méthanol est un contaminant très toxique de l’alcool et a causé de nombreux empoisonnements dans le monde entier.

C’est par le feu que sont fabriquées la plupart des nanoparticules largement utilisées et, par extension, les nanotechnologies. Par exemple, un tiers du poids d’un pneu de voiture est constitué de nanoparticules de noir de carbone, qui sont fabriquées à l’aide du feu. Ces nanoparticules contribuent à renforcer le pneu. La peinture blanche que nous utilisons sur nos murs et les revêtements de certaines pilules contiennent des nanoparticules de titane fabriquées par le feu. De même, les silices fumées – qui sont utilisées dans les fibres optiques nécessaires aux systèmes d’internet et de communication – sont également forgées dans le feu.

Comment sont fabriquées les nanotechnologies

Comment les nanoparticules, qui sont 80 à 100 000 fois plus petites que l’épaisseur d’un cheveu humain, se forment-elles à l’intérieur d’un feu ?

Je suis spécialisé dans la fabrication de nanoparticules par le feu – en particulier en utilisant une technologie appelée pyrolyse par pulvérisation de flamme.

Pendant les millisecondes que ces particules d’oxyde métallique passent à l’intérieur du feu, elles s’entrechoquent et se transforment en nanoparticules ou en microparticules. Je recueille ces particules sur un filtre placé au-dessus du feu. Des propriétés importantes telles que la taille et la structure cristalline des nanoparticules produites dépendent du temps que ces particules passent dans le feu.

Plus les particules ont de temps pour s’entrechoquer dans le feu de forge, plus elles grossissent. Nous pouvons également fabriquer des particules complexes composées de plusieurs éléments en brûlant un mélange de différents produits chimiques. Ce processus est à la fois polyvalent et évolutif, ce qui permet de produire des millions de tonnes de nanoparticules chaque année.

Surmonter les limites

Pouvoir produire des nanoparticules en masse a été l’un des plus grands défis de la production de nanotechnologies à grande échelle. En effet, la plupart des nanoparticules utilisées dans les nanotechnologies ne peuvent être fabriquées que par « chimie humide », c’est-à-dire en utilisant des liquides.

Il faut parfois des heures de travail avec des liquides dans des béchers, pour les mélanger, les chauffer, les séparer et les centrifuger afin d’obtenir de minuscules quantités de matière. Ces procédés sont souvent trop coûteux et trop dangereux pour être mis en œuvre à une échelle suffisante en vue d’une commercialisation viable.

Par exemple, les points quantiques (nanoparticules fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs qui ont des propriétés optiques et électriques) – dont la découverte a été célébrée par le Prix Nobel de Chimie en 2023. Celles-ci ont le potentiel de révolutionner de nombreuses technologies – notamment les cellules solaires, la capture du carbone et les agents de contraste utilisés en imagerie médicale.

Cependant, les points quantiques ne sont pratiquement jamais utilisés à grande échelle dans ces technologies, car le coût prohibitif de leur fabrication par chimie humide peut atteindre 45 000 dollars américains par gramme.

Mais contrairement à la chimie humide, le feu est simple, bon marché, évolutif et étonnamment sûr. Ainsi, lorsque des procédés permettant la production de nanoparticules de grande valeur, telles que les points quantiques, à l’aide du feu sont mis au point, les coûts diminuent considérablement et ces procédés deviennent immédiatement évolutifs et présentent un intérêt potentiel pour l’industrie.

Le feu peut également produire des particules et des sous-produits nocifs.

Par exemple, si vous placez une serviette devant le pot d’échappement de votre voiture, une substance noire s’y accumulera. Ce résidu noir est constitué de particules de suie produites par le feu qui brûle à l’intérieur du moteur. De même, fumer des cigarettes entraîne la formation et l’accumulation de suie dans les poumons du fumeur, ce qui est souvent à l’origine d’un cancer.

La suie est également, selon certaines estimations, le troisième contributeur au réchauffement climatique après le dioxyde de carbone et le méthane. Toutefois, ces évaluations peuvent en fait sous-estimer la contribution réelle de la suie aux effets des gaz à effet de serre.

La technologie de la pyrolyse par pulvérisation de flamme a également été utilisée pour simuler les conditions de combustion afin non seulement d’étudier plus précisément l’impact de la suie générée, mais aussi de tester les changements de processus qui pourraient virtuellement éliminer les émissions de suie. Par exemple, une étude a utilisé la pyrolyse par pulvérisation de flamme pour montrer que l’injection d’air en aval de la combustion de carburéacteur peut réduire les émissions de suie de plus de 90 %. La pyrolyse par pulvérisation de flamme pourrait continuer à être un outil utile dans la recherche sur les impacts de la pollution.

L’avenir des nanoparticules

Mais toutes les nanoparticules ne peuvent pas être produites par le feu. Ainsi, la recherche explorant de nouvelles recettes et de nouveaux procédés pour fabriquer des nanoparticules de grande valeur qu’il n’est pas encore possible de produire par le feu pourrait avoir un impact important.

Par exemple, l’un des principaux axes de mon travail actuel consiste à explorer la possibilité d’utiliser le feu pour fabriquer du graphène. Le graphène est le matériau le plus solide connu à l’échelle nanométrique. Mes travaux antérieurs montrent qu’en utilisant la lumière ultraviolette, le graphène peut être transformé en structures macroscopiques solides, ce qui pourrait permettre de l’utiliser dans l’impression 3D.

En outre, la nanomédecine recèle un énorme potentiel inexploité d’intégration des nanoparticules qu’il est déjà possible de fabriquer dans le feu. Seule une trentaine de types de nanoparticules sont approuvés par la Food and Drug Administration des États-Unis – comme celles utilisées dans les vaccins COVID-19, ainsi que les nanoparticules à base de fer utilisées pour traiter l’anémie et les maladies rénales.

Tous ces nanomédicaments approuvés sont administrés par injection. Il reste donc beaucoup de place pour explorer les avantages des nanoparticules inorganiques en médecine, en particulier pour les produits thérapeutiques administrés par voie orale.

Keroles Riad, Banting Postdoctoral fellow, Carleton University

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.