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Nanoparticules : plus elles sont petites, plus elles collent entre elles

Des chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS / UHA) ont montré pour la première fois l’effet de la taille des nanoparticules sur la cohésion de leur assemblage sur des surfaces. L’originalité de ce travail a été d’adapter à ces revêtements minces de ces nanoparticules le test de cavitation ultrasonore plus couramment appliqué à des matériaux massiques. Ces résultats sont parus dans la revue Nano Letters.

L’utilisation de nanoparticules assemblées sous forme de revêtement permet le contrôle des propriétés d’une surface telles que la mouillabilité ou l’indice optique nécessaire au développement de revêtements fonctionnels utilisés dans le domaine des capteurs par exemple. La détermination de la stabilité de ces revêtements nanoparticulaires est un préalable indispensable pour pouvoir bénéficier de leurs propriétés fonctionnelles. Il existe cependant peu de techniques adaptées à la caractérisation de ce type de revêtement mince, par définition poreux et fragile, permettant de déterminer ses propriétés mécaniques, en particulier, son adhésion et sa cohésion qui définissent la stabilité du revêtement.

Les chercheurs sont parvenus à adapter le test de cavitation ultrasonore (*) pour caractériser la stabilité mécanique de ces revêtements de nanoparticules. Ils ont ainsi pu déterminer la résistance à la cavitation de revêtements minces (de l’ordre de 200 nm d’épaisseur) formés de nanoparticules de silice de 17nm de diamètre, 30 et 50 nm. Les revêtements ont été construits par assemblage couche-par-couche de nanoparticules, sur la base d’interactions de van der Waals et électrostatiques. A partir d’un modèle simple, ils ont démontré que dans ces conditions d’assemblage, la densité d’énergie de cohésion de l’assemblage nanoparticulaire présente une dépendance en R-2, R étant le rayon de la nanoparticule. Les auteurs de cette étude ont pu démontrer de façon expérimentale cette dépendance remarquable de l’énergie de cohésion d’un assemblage de nanoparticules avec la taille de ces nanoparticules : plus elles sont petites, plus leur assemblage est cohésif et stable.

Ces travaux démontrent par ailleurs que le test de cavitation ultrasonore, méthode de caractérisation mécanique simple et accessible, est parfaitement adapté aux revêtements de nanoparticules qui présentent une cohésion faible par rapport à d’autres types de revêtements comme les revêtements métalliques ou céramiques.

(*) Cavitation ultrasonore : phénomène de nucléation, croissance et implosion de bulles de vapeur dans un liquide, sous l’effet de la propagation d’ondes acoustiques ultrasonores

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Figure 1 : schéma illustrant la cavitation (implosion) d’une bulle de gaz (vapeur) à proximité d’un revêtement nanoparticulaire, et l’arrachement (éjection) de nanoparticules qui en résulte.

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Figure 2 : image de microscopie électronique à balayage montrant les impacts d’une ou plusieurs bulles de cavitation dans un revêtement nanoparticulaire (multicouches de nanoparticules de silice de 200 nm de diamètre).

Référence

Wajdi Heni, Laurent Vonna, Hamidou Haidara

Experimental Characterization of the Nanoparticle Size Effect on the Mechanical Stability of Nanoparticle-Based Coatings

Nano Letters 15 décembre 2014

DOI: 10.1021/nl503768r

Contact chercheur

Laurent Vonna, Institut de science des matériaux de Mulhouse

Courriel : laurent.vonna@uha.fr

Tél. : 03 89 60 87 18

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken