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Nanoobjets et nanostructures
préparés par approche bottom-up :
Enjeux et Perspectives




 

Les Nanosciences sont sans aucun doute, au même titre que la biologie, l'un des domaines de développements scientifiques et technologiques les plus prometteurs du vingt et unième siècle.
L'évolution rapide au cours de la dernière décennie des recherches sur les matériaux fonctionnels intégrés - dont les dimensions caractéristiques sont de l'ordre de quelques nanomètres - force à repenser de nombreux domaines de la chimie et de la physique, tant fondamentaux qu'appliqués. D'ores et déjà, les grandeurs pertinentes que sont par exemple la longueur d'onde des photons en optique ou la longueur de corrélation dans les systèmes magnétiques représentent des dimensions critiques en deçà desquelles les propriétés sont profondément modifiées. La collaboration entre chimistes et physiciens, concepteurs et utilisateurs est essentielle pour explorer et développer les différents domaines. La France possède des atouts indéniables, et tant l'intérêt fondamental que les enjeux technologiques associés - électronique de spin, stockage d'information, capteurs magnéto-résistifs et biocapteurs, catalyse …etc - justifient le regroupement des forces sur le plan national et une collaboration active entre les différents acteurs.

Des moyens importants sont déjà consacrés dans le cadre du Programme National Nanosciences au développement des nanomatériaux, notamment via le soutien à un réseau de centrales de micro et nanotechnologies, dont les objectifs sont centrés sur la miniaturisation des composants en microélectronique.
Les méthodes de préparation, de type top-down, s'appuient sur des techniques physiques telles que sputtering, MBE (molecular beam epitaxy), ablation laser, OMVPE (organometallic vapor phase epitaxy) ou procédés lithographiques qui permettent d'élaborer une vaste gamme de nanostructures. Ces méthodes sont cependant complexes et ne permettent pas toujours un contrôle suffisant des caractéristiques dimensionnelles et structurales. De plus, le traitement du matériau au cours de son élaboration peut entraîner des réactions aux interfaces (il s'agit souvent de multicouches), des phénomènes de précipitation ou des transformations de phase.
Une approche complémentaire des procédés de nano-fabrication et de nano-manipulation utilisés en physique est de partir de la limite ultime, en d'autres termes de l'échelle atomique, pour concevoir et réaliser par réactions de chimie « douce » des matériaux totalement nouveaux, ouvrant la voie à des échelles jusque là inexplorées. La construction d'objets « pas à pas » en appréhendant la relation structure/propriétés en vue d'applications en optique (capteurs, afficheurs, guides, cristaux photoniques, etc..), magnétisme, catalyse et photocatalyse, séparation de phases (nanomembranes) ou encore vectorisation (encapsulation spécifique) pouvait sembler hors d'atteinte il y a 15 ans, mais le développement de nouveaux outils et protocoles de synthèse ouvre des perspectives intéressantes dans le domaine.
Il apparaît donc à ce jour indispensable de soutenir au plan national une approche bottom-up de la conception d'objets individuels, voire des dispositifs par une auto-organisation de ces objets, à propriétés physiques remarquables même si les perspectives d'application apparaissent parfois à plus long terme. Les récents développements en nanophysique démontrent s'il le fallait les enjeux dans le domaine.

Les nanostructures et nanomatériaux obtenus par voie chimique peuvent se décliner en deux grandes classes : d'une part, les objets de taille nanométrique (molécules, clusters, agrégats, fils...) isolés ou organisés en réseaux, d'autre part les matériaux nano ou mésoporeux cristallisés
 à charpente tridimensionnelle, constitués d'un réseau de tunnels ou de cages généralement construits par empreinte moléculaire.
Dans la première catégorie, les plus étudiés sont les clusters moléculaires, les métaux et les oxydes métalliques, les chalcogénures et semiconducteurs III-V et II-VI, les fullerènes et nanotubes de carbone.
En raison de leur petite taille (effet de confinement) et de leur grand rapport surface/volume ces matériaux présentent des propriétés (électroniques, magnétiques, optiques, chimiques...) différentes des propriétés de volume, offrant de nombreuses potentialités d'applications.
La seconde catégorie regroupe les
solides nano ou microporeux à charpente tridimensionnelle, avec des cavités variant de un à une dizaine de nanomètres. Les aluminosilicates de métaux alcalins ou alcalino-terreux (zéolithes) et les métallophosphates sont à l'origine de nombreux travaux sur le rôle des agents structurants (espèces organiques ou inorganiques) pour orienter la taille et la forme des pores. Ces études ont été étendues aux solides poreux à charpente hybride associant par liaisons fortes des espèces organiques et inorganiques qui peuvent également être synthétisés par empreinte moléculaire.

L'organisation de nanoobjets sur des surfaces ou dans des structures poreuses reste encore exploratoire, ceci malgré l'intérêt fondamental et appliqué de tels systèmes. Un des axes privilégiés est la conception de nano-structures à précurseur moléculaire associée à la réalisation de structures hybrides (objets sur/dans un substrat semi-conducteur, inorganique,....) et l'étude des paramètres gouvernant les propriétés magnétiques, optiques ou de transport en vue de la conception de dispositifs.
On peut affirmer aujourd'hui qu'il existe dans le domaine de fortes compétences, mais que le regroupement des forces, dans un domaine par essence pluridisciplinaire et nécessitant l'appoint d'équipements lourds, s'avère indispensable
.

          
 
 
 
This network is funded by the French programme on nanosciences,
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