Les nanoparticules, ces entités minuscules qui, malgré leur taille, possèdent un impact significatif sur la science des matériaux. Aussi, comment leur forme géométrique influence leurs propriétés et comment elles pourraient être utilisées pour transformer le dioxyde de carbone en carburant.
Un Univers Invisible
Les nanoparticules sont extrêmement petites, atteignant une taille d’un nanomètre, soit un milliardième de mètre. Leur taille minuscule les rend indétectables à l’œil nu, nécessitant un microscope électronique spécialisé pour être observées.
Les progrès réalisés dans les technologies d’imagerie au cours des années 1990 et 2000 ont rendu possible le domaine de la nanoscience, selon Anne Bentley, membre du département de chimie du Lewis & Clark College à Portland (USA).
« Une grande partie de la chimie est hors de portée de ce que les gens peuvent tenir dans leurs mains », dit-elle. « Vous pouvez obtenir des preuves de ce qui se passe, mais vous enquêtez toujours sur quelque chose qui est à une échelle trop petite pour que vos yeux puissent voir. Tout ce que vous pouvez faire pour l’agrandir est utile. »
Des Modèles 3D pour Comprendre les Nanoparticules
En réponse à ce défi, Anne Bentley a créé des modèles 3D des formes géométriques les plus simples que les nanoparticules peuvent prendre. Elle a rendu les instructions pour créer ces modèles, soit avec du papier, soit avec du matériel d’impression 3D, disponibles dans un article qu’elle a co-écrit et publié dans le Journal of Chemical Education, intitulé : « A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control ».
Les nanoparticules prennent différentes formes géométriques et sont cristallines, c’est-à-dire composées d’atomes disposés dans un motif qui se répète en trois dimensions. Les formes affichent des surfaces planes, appelées plans ou facettes, similaires aux coupes d’une gemme. L’arrangement des atomes sur ces surfaces cristallines influence les propriétés spéciales du matériau, explique Bentley.
Transformer un « Fouillis de Nombres » en Formes
« La nanoscience est un sujet qui se situe à la fois entre la chimie et la physique dans le programme, mais aussi entre la recherche au niveau du premier cycle et du troisième cycle », dit en substance la chercheuse. « Il est important que les chimistes des matériaux débutants aient une compréhension fondamentale des plans de cristaux, des facettes et des directions de croissance. Ils doivent également comprendre le système de notation à trois chiffres utilisé pour indexer ces attributs, connu sous le nom d’indices de Miller. Sinon, ce système peut ressembler à un mystérieux fouillis de nombres. »
Elle a estimé qu’il était important de fournir une base de connaissances dans un format accessible qui pourrait aider les éducateurs à introduire ce domaine important et en croissance. Bien que des structures plus complexes que les modèles imprimés en 3D puissent être créées numériquement via des programmes de simulation informatique, Bentley croit qu’il y a des avantages à pouvoir tenir les modèles dans vos mains.
Cultiver des Particules d’Or pour Convertir le Dioxyde de Carbone
Dans le laboratoire de Bentley, elle et ses étudiants travaillent à manipuler des atomes d’or dans des fioles de liquide pour contrôler les formes des nanoparticules.
« Il faut juste créer les bonnes conditions aux bonnes températures, un environnement entier qui est propice à la croissance d’une forme particulière », dit-elle encore.
Anne Bentley étudie les nanoparticules d’or, qui sont remarquables pour leurs propriétés catalytiques, ou leur capacité à accélérer les réactions chimiques. La façon dont le matériau est tranché expose différents motifs d’atomes, explique-t-elle. Des recherches antérieures ont identifié qu’une forme particulière de nanoparticule d’or, le dodecaèdre rhombique à 12 faces, est plus efficace pour convertir le dioxyde de carbone en matériaux combustibles.
« C’est comme le recyclage », s’exclame la chercheuse. « Non seulement cette forme de nanoparticule permet aux chercheurs de retirer le dioxyde de carbone de l’atmosphère, mais elle leur permet de le transformer à nouveau en une sorte de carburant qui peut être utilisé. Donc, si nous pouvons cultiver des particules qui ont cette facette sur elles uniquement, c’est un véritable avantage. »
En synthèse
Les nanoparticules, malgré leur taille minuscule, ont un impact significatif sur la science des matériaux. Leur forme géométrique influence leurs propriétés et pourrait être utilisée pour transformer le dioxyde de carbone en carburant. Les travaux d’Anne Bentley et de son équipe visent à comprendre et à contrôler ces formes, ouvrant la voie à de nouvelles applications potentielles dans le domaine de la chimie des matériaux.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une nanoparticule ?
Une nanoparticule est une particule de taille extrêmement petite, atteignant une taille d’un nanomètre, soit un milliardième de mètre. Elles sont généralement indétectables à l’œil nu et nécessitent un microscope électronique spécialisé pour être observées.
Qu’est-ce qui rend les nanoparticules intéressantes pour les scientifiques ?
Les nanoparticules sont d’un grand intérêt pour les scientifiques en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques. Leur forme géométrique et la disposition des atomes sur leurs surfaces influencent ces propriétés.
Comment les nanoparticules sont-elles étudiées ?
Les nanoparticules sont étudiées à l’aide de modèles 3D qui représentent leurs formes géométriques. Ces modèles peuvent être créés avec du papier ou du matériel d’impression 3D.
Qu’est-ce que les nanoparticules d’or et pourquoi sont-elles importantes ?
Les nanoparticules d’or sont étudiées pour leurs propriétés catalytiques, c’est-à-dire leur capacité à accélérer les réactions chimiques. Une forme particulière de nanoparticule d’or, le dodecaèdre rhombique à 12 faces, a été identifiée comme étant plus efficace pour convertir le dioxyde de carbone en matériaux combustibles.
Quel est l’objectif de la recherche sur les nanoparticules ?
L’objectif de la recherche sur les nanoparticules est de comprendre et de contrôler leurs formes, ce qui pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications dans le domaine de la chimie des matériaux, notamment la conversion du dioxyde de carbone en carburant.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Les nanoparticules sont extrêmement petites, atteignant une taille d’un nanomètre. |
| Les progrès réalisés dans les technologies d’imagerie ont rendu possible le domaine de la nanoscience. |
| Les nanoparticules prennent différentes formes géométriques et sont cristallines. |
| Les nanoparticules d’or sont remarquables pour leurs propriétés catalytiques. |
| Une forme particulière de nanoparticule d’or, le dodecaèdre rhombique à 12 faces, est plus efficace pour convertir le dioxyde de carbone en matériaux combustibles. |
| Les modèles 3D peuvent aider à comprendre les formes des nanoparticules. |
| Les nanoparticules sont un sujet qui se situe à la fois entre la chimie et la physique dans le programme. |
| Les nanoparticules pourraient être utilisées pour transformer le dioxyde de carbone en carburant. |
| Les chercheurs travaillent à manipuler des atomes d’or pour contrôler les formes des nanoparticules. |
| La recherche sur les nanoparticules est un domaine en pleine croissance. |
Références
Légende illustration principale : Gauche : Anne Bentley, professeur agrégé de chimie au Lewis & Clark College de Portland, dans l’Oregon, a mis au point un moyen novateur d’enseigner les nanosciences, en utilisant des modèles imprimés en 3D qui rendent visible l’invisible. Droite : 3 formes fondamentales de nanoparticules : cubes, octaèdres ou dodécaèdres rhombiques – Crédit : Stephen Mercier / Lewis & Clark College
Article : « A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control » – DOI: 10.1021/acs.jchemed.3c00371
