Les nanomatériaux se sont historiquement développés autour des nanocomposites et des nanoparticules. Une nouvelle famille, les matériaux nanostructurés, est apparue dans le milieu des années 80 et est, depuis le milieu des années 90, utilisée à un niveau industriel.
Après le secteur du traitement de surface, les matériaux nanostructurés attirent aujourd’hui de plus en plus les industriels à la recherche de solutions pour faire face à des environnements de plus en plus agressifs. Même s’il est aujourd’hui encore limité, ce marché pourrait fortement se développer à l’avenir en devenant le matériau de demain pour de nombreux secteurs industriels comme l’énergie en particulier.
La nanostructuration est un procédé qui vise à améliorer les propriétés existantes d’un matériau ou à lui conférer de nouvelles propriétés. Elle peut s’appliquer à toutes les familles de matériaux : métaux, céramiques, diélectriques, oxydes magnétiques, polymères, etc. Deux méthodes aux perspectives différentes permettent d’obtenir des matériaux nanostructurés : la nanostructuration en volume (en agissant directement dans la masse) et la nanostructuration de surface (en modifiant la structure de la surface).
La nanostructuration en volume est obtenue grâce à une dispersion de nanoparticules ou à une organisation du matériau en nanograins au sein de la matrice du matériau. Elle permet d’améliorer de façon sensible les propriétés mécaniques d’un matériau telles que sa dureté, sa résistance à l’abrasion ou sa résistance à la traction. Cependant, à l’exemple des implants médicaux en titane pur nanostructuré, la nanostructuration en volume reste pour le moment limitée à des développements ponctuels, La nanostructuration confère à ces implants une très grande résistance et garantit l’absence d’additifs toxiques ainsi que la longévité des matériaux utilisés. En outre, leur élasticité permet de réduire les traumatismes osseux et les complications postopératoires.
« Le procédé de fabrication de la nanostructuration en volume reste pour le moment le principal frein à son développement ; il est en effet, difficile de maîtriser la dispersion de nanoparticules (ou nanograins) et d’en assurer une reproductibilité correcte à l’échelle industrielle », explique Nadia Boukhetaia, consultante au sein de la BU Chimie, Matériaux et Energie d’Alcimed.
La nanostructuration en surface semble beaucoup plus prometteuse, notamment dans une logique de développement court terme. Elle peut être obtenue soit par modification de la surface directement par voie physique (grâce à des techniques dites « grenaillage »), soit par dépôt d’un revêtement nanostructuré en surface.
Le grenaillage traditionnel consiste à projeter à grande vitesse des billes (en acier, en céramique…) sur la pièce à traiter. Elle permet de modifier la structure en surface, sans créer de nanotructures. Dans le cas des métaux, ce traitement parvient à optimiser de façon significative certaines propriétés comme la résistance à la corrosion qui peut augmenter de 30%. De plus, des propriétés mécaniques telles que la dureté ou la résistance des matériaux peuvent être augmentées de façon significative : après traitement par grenaillage à ultrasons, un acier voit sa dureté passer de 300 à 600 degrés Vickers ! Plusieurs sociétés ont récemment été créées sur ce créneau du « grenaillage », développant des technologies à base de laser, d’eau pressurisée ou encore d’ultrasons.
La nanostructuration en surface peut également être obtenue par le dépôt d’un revêtement nanostructuré. Dans ce cas, les procédés utilisés sont ceux du traitement de surface : PVD (dépôt physique par phase vapeur), CVD (dépôt chimique en phase vapeur) et de leurs dérivés. Sur ce créneau, se positionnent les leaders du traitement de surface (HEF, Balzers…), et de l’outillage (Sandvik…), mais aussi de nombreuses start-up hyper spécialisées pour répondre aux besoins très spécifiques de certains secteurs industriels. A titre d’exemple, la société américaine Nanosteel a développé une nouvelle famille d’acier nano (Super hard Steel) qui déposé en couche mince améliore considérablement les propriétés de résistance à la corrosion de l’acier. Ce matériau est une solution pour des environnements contraignants (haute température, milieux corrosifs) des secteurs de l’énergie (plate-formes pétrolières, centrales charbon, unités de production biogaz, extraction minière) et de l’industrie (cimenterie…).
Pour l’instant, les volumes de production sont limités et restent par conséquent très chers. Les applications de la nanostructuration en surface demeurent très spécifiques, concernent des pièces de petite taille et s’adressent à des marchés de niche : équipements industriels (moule d’injection), pièces de moteurs, et outils spéciaux. Cependant, un nombre croissant d’industriels des secteurs de l’énergie, de la mécanique, de l’automobile, ou encore de l’aéronautique sont actuellement en train de procéder à des analyses ou à des tests sur des applications pilotes élaborées à partir de matériaux nanostructurés.
« Les atouts de la nanostructuration sont nombreux. Elle permet d’allier des propriétés telles que dureté et élasticité dans des environnements agressifs… qui sont particulièrement recherchées par les industriels. Cependant, il existe encore peu d’applications au niveau industriel. Les défis à relever concernent principalement la maîtrise des procédés industriels, car il est aujourd’hui difficile d’assurer pour les deux types de nanostructuration une reproductibilité industrielle au niveau des pièces. Des efforts de Recherche et Développement sont donc nécessaires au niveau du procédé pour que la nanostructuration parvienne à s’imposer en masse dans l’industrie », précise Vincent Pessey, Responsable du pôle Nanotechnologies d’Alcimed.
A propos :
Alcimed est une société de conseil et d’aide à la décision spécialisée dans les sciences de la vie (santé, biotech, agroalimentaire), la chimie, les matériaux et l’énergie ainsi que dans les industries de hautes technologies. Elle a pour vocation d’accompagner les décideurs dans leurs choix de positionnement et leurs actions de développement.
