Deux compagnies japonaises, Mitsubishi Material et Toray Dowcorning, ont développé deux nouveaux matériaux destinés à la fabrication d'anodes de batteries lithium-ion. Ils permettent tous deux d'améliorer considérablement la capacité de décharge des batteries.

Améliorer la capacité des batteries représente un enjeu important pour l'industrie automobile, puisque c'est elle qui détermine l'autonomie des véhicules électriques. Cette amélioration passe par celle des trois parties qui compose une batterie : l'anode, la cathode et l'électrolyte. Les anodes des batteries lithium-ion (ces batteries présentent actuellement la meilleure densité énergétique) sont constituées pour la plupart de graphite. Cependant, le potentiel de ce dernier par rapport au lithium est relativement bas, provoquant ainsi le dépôt de lithium à la surface des électrodes (dendrite), ce qui les détériore. De plus, la capacité théorique du graphite est peu élevée (370 mAh/g).

Les matériaux les plus prometteurs pour le développement des anodes sont les alliages métalliques, tels que le lithium-silicium (Li-Si - capacité théorique de 4.000 mAh/g) et le lithium-étain (Li-Sn - 990 mAh/g). Leur inconvénient est qu'ils sont sujet à de très fortes variations de volume lors des cycles de charge et de décharge, entraînant la dégradation de l'électrode. Une deuxième solution se trouve dans le développement d'anodes en oxyde mélangé à du graphite. Leur capacité théorique (entre 500 et 1000 mAh/g) est inférieure à celle des alliages métalliques, mais leur variation de volume est plus limitée.

Le matériau développé par Mitsubishi Material relève de la première solution. La compagnie a en effet développé un nouvel alliage à base d'étain. La variation de volume est limitée grâce à une structure aérée et une taille des particules qui ne dépasse pas les 2 micro-m. L'anode est fabriquée par l'incorporation dans du graphite habituellement utilisé d'un alliage à base d'étain (40%), à laquelle a été ajoutée, comme adjuvant conducteur, de la fibre de carbone (5%) qui favorise le transport des électrons. La capacité de décharge (500 mAh/g) de l'électrode a ainsi été améliorée de 1,5 fois par rapport à une anode en graphite. Cette capacité ne se dégrade que de 4% après 50 cycles de charge et de décharge. La compagnie espère pouvoir proposer des échantillons rapidement et obtenir une part de marché de 20% d'ici 5 ans.

Le matériau développé par Toray Dowcorning relève de la seconde solution. L'anode, en oxyde d'étain-carbone (SiO-C), est fabriquée par frittage de macromolécules contenant de l'étain. Sa capacité de décharge est comprise entre 500 et 800 mAh/g. Elle diminue de 15% après 140 cycles. La variation de volume est limitée à 20%. La compagnie a déjà expédié des échantillons à des constructeurs automobiles pour obtenir une évaluation de son produit.

Sources: - Tech-on! - 24/01/2011 (japonais) - http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20110124/188991/
- Communiqué de Mitsubishi Material - 24/01/2011 (japonais) - http://www.mmc.co.jp/corporate/ja/01/01/11-0124.html
3. Tech-On! - 21/01/2011 (japonais) - http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20110121/188925/

 Vous êtes dans votre restaurant italien préféré, prêt à déguster les meilleurs spaghetti du chef. L'assiette arrive et là, surprise ! Vous vous trouvez devant un enchevêtrement de spaghetti de toutes les tailles et de toutes les couleurs. Tout à l'air comestible mais ce que vous préférez vous, ce sont les jaunes de taille moyenne. Il va falloir des heures pour faire le tri.

Les physiciens éprouvent la même difficulté avec les nanotubes de carbones. Les conditions de fabrication de ces nanomatériaux sont mal contrôlées. Le résultat obtenu ressemble à notre plat de spaghetti : différentes catégories de différentes tailles. Chaque type de nanotube présente des propriétés électroniques différentes et donne lieu à des utilisations différentes. Depuis 20 ans, des recherches sont en cours pour trouver des méthodes rapides et bon marché afin de séparer les différentes catégories.

Des chercheurs de la Rice University de Houston ont fortement amélioré une de ces techniques de séparation : l'ultracentrifugation sur gradient de densité. Pour cela, ils ont utilisé un gradient de densité non-linéaire, améliorant la séparation spatiale des différentes catégories. Cette réussite est liée au développement d'un instrument de fluorescence infrarouge permettant de scanner rapidement le degré de séparation des espèces.

La technique permet de séparer simultanément 10 types de nanotubes de carbones à paroi unique (Single Wall Carbon NanoTube ou SWCNT). Les surfactants utilisés ont même permis de séparer des nanotubes de même diamètre et arrangement mais images l'un de l'autre dans un miroir. Cette avancée est prometteuse pour enfin faire avancer la métrologie sur les nanotubes de carbone et étudier les propriétés de chaque catégorie afin de les utiliser de manière plus ciblée.

Les nanotubes sont comme les pâtes, il en existe des dizaines de variétés

Un nanotube de carbone naît de l'enroulement d'une feuille de graphène sur elle-même. Comme la structure du graphène est composée d'hexagones de carbones accolés, il existe beaucoup de possibilités d'enroulement permettant de créer des types de nanotube différents (figure 2). Pour s'y retrouver, les nanotubes sont décris à l'aide de deux nombres (n,m). Lorsque n et m sont égaux, par exemple (6,6) ou (9,9), le nanotube obtenu, dit nanotube fauteuil, est métallique. Lorsque m vaut zéro, il s'agit d'un nanotube zigzag. Dans les autres cas, on parle de nanotube chiral. Les nanotubes chiraux et zigzag sont des semi-conducteurs.

Lors de la production, toutes les sortes de nanotubes sont mélangées. Bien que les nanotubes soient produits depuis plus de 20 ans en laboratoire, l'absence de technique de séparation empêche toujours de caractériser précisément les propriétés de chaque catégorie, rendant d'autant plus difficile la tâche d'identification. "Beaucoup d'équipes ont annoncé avoir découvert des méthodes efficaces. Dans la majorité des cas, la différenciation endommage les nanotubes. Et puis, ces méthodes maisons ne sont que rarement transposées, ce qui montre sans doute qu'elles ne sont pas très pertinentes", raconte le Professeur Weisman.

L'ultracentrifugation à gradient de densité

En 2006, une équipe de la North Western University a eu l'idée de transposer aux nanotubes les méthodes utilisées en biochimie pour séparer les protéines ou les ribosomes [1]. Les nanotubes sont plongés dans un surfactant qui se lie à eux. Pour chaque catégorie de nanotube, on obtient une micelle ayant une densité différente. En centrifugeant le mélange dans un tube à essai rempli d'un liquide présentant un gradient de densité, chaque type de nanotube sédimente à un niveau donné dans le tube à essai (figure 1 A).

La difficulté de l'opération est de manier avec précision tous les paramètres qui interviennent : le type de surfactant utilisé, le diamètre des tubes à essai, la vitesse ou encore la température de centrifugation. Pour parvenir au meilleur résultat il faut tester un à un tous ces paramètres. Etant donné le nombre de combinaisons possibles, cela peut prendre beaucoup de temps !

La première innovation apportée par l'équipe du Pr. Weisman a été de mettre au point une technique de caractérisation rapide du contenu du tube à essai. Les différents nanotubes de carbones semi-conducteurs ont une signature unique par fluorescence infrarouge (figure 1 B). Après centrifugation, le tube à essai ressemble à un code barre que l'instrument parcours verticalement enregistrant le signal de fluorescence permettant d'identifier le type de nanotube présent à chaque niveau. Avant cela, il était nécessaire d'aller prélever chaque couche successivement pour procéder à l'analyse.

La seconde innovation dans le procédé a été d'utiliser un gradient de densité non-linéaire. Un gradient linéaire entraîne une séparation spatiale entre les couches de nanotubes différents et proportionnelle à la différence de densité. Lorsque les densités sont très proches, les différents types de nanotubes ne sont pas efficacement séparés. Un gradient de densité non-linéaire permet d'augmenter la séparation spatiale des espèces ayant des densités très proches.

Au final, la multiplication des essais a permis de fixer correctement les paramètres de la centrifugation pour séparer efficacement 10 familles de nanotubes en même temps [2]. La séparation n'est pas parfaite mais les couches obtenues sont toutes fortement enrichies d'un seul type de nanotube. En plus de ce résultat, une surprise supplémentaire attendait les chercheurs.

La séparation d'énantiomères

Les molécules contenant des atomes de carbones existent généralement en deux exemplaires, images l'une de l'autre dans un miroir, appelés énantiomères. Une structure présentant deux énantiomères est dite chirale. Les nanotubes de carbone, excepté les types zigzag et fauteuil, sont chiraux. Les hexagones de carbones des nanotubes chiraux semblent s'enrouler vers la gauche (espèce lévogyre) ou vers la droite (espèce dextrogyre).

Les deux surfactants utilisés par le Prof. Wiesman sont des molécules organiques d'origine animale. Or, les molécules du vivant ont la particularité d'être toutes lévogyres. Les mêmes surfactants produits de manière artificielle comprendraient à part égale des molécules lévogyre et dextrogyre. Les molécules de surfactant toutes lévogyres vont se lier de manière différentes avec les nanotubes de carbones lévogyres et dextrogyres créant ainsi pour chacune de ces espèces des micelles de densités différentes. Ainsi, la méthode développée permet non seulement de séparer les différents catégories de nanotubes de carbones mais aussi, pour chaque catégorie, de séparer les énantiomères.

Une avancée prometteuse

Les nanotubes de carbones présentent des propriétés variées en fonction de leur type. Le spectre de leur utilisation est large. Cependant, l'impossibilité de séparer efficacement les différentes catégories complique les utilisations qui peuvent en être faites. "Dans les utilisations médicales des nanotubes comme vecteurs de médicaments, il est important de pouvoir utiliser un type de nanotube donné afin de pouvoir suivre précisément par fluorescence infrarouge leur évolution dans le corps." raconte le Prof. Wiesman.

Erik Haroz travaille lui sur les nanotubes métalliques, de type fauteuil. Il a utilisé la même technique pour séparer les différentes catégories mais ne peut pas utiliser la même méthode de détection. "Seuls les nanotubes de carbones semi-conducteurs fluorescent dans l'infrarouge. Pour les nanotubes métalliques, il faut utiliser la spectroscopie Raman." Une étude détaillée des tubes après centrifugation lui a permis de mettre en évidence que la méthode permettait aussi d'obtenir des couches fortement enrichies en nanotubes métallique d'une catégorie donnée, (7,7) ou (9,9) par exemple [3].

"La séparation des espèces constitue un premier pas vers la réalisation de câbles conducteurs constitués de nanotubes. La réalisation de câbles électriques macroscopiques en nanotubes permettrait d'améliorer fortement le rendement du transport d'électricité et de réduire les coûts" s'enthousiasme Erik. Cependant, quelques années d'efforts seront encore nécessaires pour atteindre ce résultat.

Sources:

Chaque jour de nouvelles applications des nanotechnologies sont découvertes dans des domaines aussi variés que l’Electronique, la Santé, l’Energie, les nouveaux matériaux, la Cosmétologie,… Les économistes parlent de l’émergence d’une nouvelle industrie pour le 21e siècle pouvant rivaliser avec celles de l’automobile ou de la microélectronique. Néanmoins, cette nouvelle industrie ne pourra se développer qu’à deux conditions.

Premièrement, ses procédés, produits et déchets doivent être sûrs sur tout le cycle de vie : fabrication, usages et fin de vie. Deuxièmement, et ce n’est pas la condition la plus facile à remplir, les nanotechnologies doivent être comprises et adoptées par le grand public.

Un important travail est en cours de développement pour réduire aussi bas que possible le risque induit par la fabrication et l’usage des nanomatériaux. Cela suppose non seulement l’évaluation des dangers potentiels relatifs aux nanoparticules mais aussi la maitrise des expositions.

En parallèle de ce travail scientifique et technique, des actions accompagnant la formation, l’éducation et le dialogue avec le public sont requises.

Initié dans le cadre du projet européen NanoSafe2, Nanosmile est actuellement supporté par le FP7 European iNTeg-Risk. Cinq modules thématiques PRECAUTIONS, METROLOGIE, SANTE, ENVIRONNEMENT et GUIDE DE PREVENTION.

Tout le monde en a parlé. Sa photo a fait la une de tous les sites internet. La star de la semaine est un escargot ! Que se cache-il exactement derrière sa coquille ? Un escargot en apparence bien innocent

Crysomallon squamiferum vit dans un environnement hostile : milieu acide, hautes températures et une série de prédateurs qui peuvent faire de lui un véritable festin. Sa survie, il l'a doit à des millions d'années d'évolution qui ont sélectionné des gènes capables de lui fournir une armure de qualité. Sa coquille multicouche, nano- et micro-structurée, remplit simultanément plusieurs fonctions : protection contre les prédateurs, régulation thermique, protection contre l'acidité. La structure de cette coquille et la mesure de ses propriétés mécaniques ont fait l'objet d'une publication dans les "Proceedings of the National Academy of Science of the USA".

Armure, protection, survie. Il n'est pas difficile d'entrevoir ce que les propriétés de cette coquille pourraient susciter comme innovations. Et ce n'est donc pas par hasard que l'on trouve parmi les financeurs de l'étude le Departement of Defense (DoD), via le MIT Institute for Soldier Nanotechnologie (ISN).

Les nanotechnologies et la défense L'ISN n'est pas le seul institut à portée militaire dans le domaine des nanotechnologies. On peut citer aussi l'US Army Engineer Research and Development Center (ERDC) ou le Natick Soldier Research, Development and Engineering Center (NSRDEC). La Nanotechnology for Defense Conference permet par ailleurs de faire le point annuellement sur les recherches dans le domaine. Car, si les nanotechnologies et la science des matériaux laissent entrevoir des avancées dans le domaine de l'énergie, l'environnement ou encore la santé, leurs applications militaires ne sont pas oubliées. Loin de là.

Le Department of Defense (DoD) absorbe 30% des fonds annuels distribués par la Nanotechnology National Initiative (NNI) . Cela en fait la première agence bénéficiaire, légèrement devant la National Science Foundation (NSF) qui en reçoit en moyenne 27%. Et les objectifs sont clairs. Les recherches menées par le DoD consistent à "découvrir et exploiter les phénomènes uniques à ces dimensions [nanométriques] pour permettre de nouvelles applications améliorant les aptitudes des soldats et les possibilités des systèmes de combats".

Le DoD investit principalement dans des travaux sur la compréhension des phénomènes et des processus à l'échelle nanométrique ainsi que sur les applications directes dans la production d'appareils et de systèmes. C'est ainsi la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)  qui, au sein du DoD, perçoit presque 50% des financements consacrés à la recherche sur les nanotechnologies militaires.

Au-delà de l'évolution des systèmes informatiques et électroniques, capitale dans le contexte du paradigme militaire "C4ISR" (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance), les nanotechnologies ouvrent des possibilités capitales dans le domaine de l'équipement. De plus, les guerres récentes, dite "post-guerre froide", comme en Iraq ou en Afghanistan, ont mis en évidence une évolution nécessaire de l'organisation militaire. Les conflits entre nations, nécessitant des opérations à grande échelle et pour lesquels l'armée américaine était préparée, ont laissé place à des opérations militaires à petite échelle face à des groupes armés réduits dans des environnements difficiles. Ce changement conduit l'armée américaine à réorganiser ses troupes.

La combinaison de ces changements technologiques et organisationnels pourrait alors entraîner une nouvelle "Revolution in Military Affairs" (RMA), et assurer à l'armée américaine une suprématie qu'elle cherche à conserver. Imaginer le soldat du futur Des études prospectives permettent d'envisager qu'elles pourraient être les applications des nanotechnologies dans le domaine de l'équipement militaire. L'une d'elle, la Future Soldier Initiative , a été déclassée récemment. Le portrait robot du soldat de demain qu'elle présente fascine autant qu'il effraie.

Une combinaison recouvre complètement la peau du soldat. Sa structure est composée de nanofibres très résistantes, tissée de nanocables électriques reliant une multitude de nanocapteurs en tout genre. Elle le protège contre les explosions, lui assure une détection automatique des toxines, lui délivre les médicaments nécessaires, le protège des munitions et des flammes, régule sa température, soigne ses plaies. Elle permet de connaître en permanence son état physiologique et psychologique. Sa texture comporte aussi des batteries et de nombreux systèmes capables d'assurer la collecte, la production et la distribution de l'énergie nécessaire au fonctionnement de son équipement. Mais l'équipement du futur soldat ne s'arrête pas là.

Un exosquelette lui permet d'améliorer ses capacités naturelles de vitesse, de force et d'agilité. Des prothèses neurales, systèmes électroniques directement reliés à son système nerveux, produisent des effets similaires sur ces capacités sensorielles. Enfin, le système d'information et de communication du soldat lui permet d'évoluer dans une réalité augmentée. Des données sont collectées en permanence sur son environnement direct et sur celui de ses compagnons. Elles sont traitées en temps réel et lui fournissent une aide capitale dans la prise de décision. Présenté sous cet angle, l'image du soldat du futur protégé par ses combinaisons nanostructurées n'est plus très éloignée de celle de notre escargot caché dans sa coquille protectrice.

L'investissement conséquent dans les applications militaires des nanotechnologies est à la hauteur de l'objectif, affiché sur le site de la DARPA : maintenir la supériorité technologique des forces militaires américaines et se prémunir contre toute surprise technologique pouvant porter atteinte à la sécurité nationale. L'avertissement est clair : les Etats-Unis ne se laisseront pas dépasser technologiquement. Encore moins par un escargot.

Source :

- Iron-plated snail could inspire new armor - MIT News - Anne Trafton - 27/01/2010 - http://web.mit.edu/newsoffice/2010/snail-shell.html
- Future Soldiers May Get Brain Boosters and Digital Buddies - Charles Q. Choi - Live Science - 02/02/2010 - http://www.livescience.com/technology/future-soldiers-100202.html

-  Vincent Reillon, deputy-phy.mst@consulfrance-houston.org

Contribuer soi-même aux recherches dans les nanosciences est possible, en mettant à disposition son ordinateur en veille. Pour cela il suffit d’installer le petit logiciel BOINC et de s’inscrire sur l’un des nombreux projets de recherche : Nanoluz.

Nanoluz est un projet porté par l'institut d'optique Daza de Valdès (Madrid) et le Conseil Supérieur en Recherche Scientifique. C'est l'une des 6 recherches accessibles via Ibercivis, la plateforme espagnole de calcul partagé. Le projet se concentre sur la résolution des équations de Maxwell  pour décrire le comportement de la lumière à l'intérieur de différents métamatériaux (des matériaux composites artificiels) à l’échelle nanométrique.

Cette recherche fondamentale est nécessaire pour pouvoir développer certaines technologies comme les ordinateurs optiques où le transfert d’information s’effectue par le biais de la lumière. Les résultats obtenus pourraient également permettre d'améliorer le rendement des panneaux solaires.

Une autre application visée par ce projet consiste à étudier l’interaction de la lumière avec des nanoparticules. Ceci dans le but de concevoir de nouveaux biodétecteurs avec une très haute sensibilité. Ce type de système permettra d'effectuer de nombreux examens médicaux à partir d'une quantité infime de liquide organique (par exemple, d'une larme), il remplacera les analyses macroscopiques comme les prises de sang.

http://www.ibercivis.es/index.php?module=public&section=channels&action=view&id_channel=3&id_subchannel=114

 http://www.boinc-af.org/actualites-physique-chimie/1105-nanoluz-la-lumiere-a-lechelle-du-nanometre.html

 http://boinc.berkeley.edu/