Nanométrologie dimensionnelle

la nanométrologie est dans le domaine de la métrologie l'ensemble des techniques visant à mesurer diverses dimensions (submicrométriques) du monde des nanomatériau. La Nanométrologie dimensionnelle est définie en France par le LNE comme étant « la science et la pratique de la mesure des dimensions caractéristiques d’objets, des distances et des déplacements dans la gamme allant de 1 nm à 1000 nm » ^[1]

Nouveaux domaines et enjeux

La nanométrologie a émergé dans les années 1980 et elle doit pouvoir s'adapter ;

• à des besoins de mesures quantitative et qualitative générés par les nanotechnologies qui se développent dans les domaines des biotechnologies, des transports, communications, microélectronique, microlithographie, de la pharmacochimie, de l'agroalimentaire, et de certains modes de production ou stockage d'énergies… et les besoins d'évaluation (toxicologiques et écotoxicologiques) afférents à ces secteurs. La nanotoxicologie nécessite en particulier de pourvoir mesurer ce sur quoi elle porte ;
• à différents états de la matière (poudre, aérosol ou quasi-gaz, suspension liquide, gel) à des changements de phase et qui concerne des matériaux ou molécules possédant des propriétés particulières induites par leur taille et leur structure nanométrique ;
• à différents nanomatériaux dont nanocomposites, matériaux dits nanostructurés (en surface ou en volume) ou nanorenforcés, nanoparticules (Métaux, céramiques, matériaux diélectriques, oxydes magnétiques, polymères divers, carbones, etc. ), seuls ou en formes ou structures composites ;
• aux nanoparticules d'origine naturelle, accidentelles (explosion, incendies, réactions chimiques accidentelles, pollution) ou issues de processus de production (dont soudage, fumage d'aliments, polissage, vapeurs dues à des plasmas, agitation par micro-ondes ou températures élevées, etc.

Nouveaux besoins

La mesure nanométrique nécessite de nouveaux étalons de référence car elle doit porter sur des aspects mono, bi ou tri-dimensionnels (par ex pour les Nanotubes de carbone ou des aspects tels que la résistance, réactivité catalytique, chimique ou biologique, la biopersistance du produit, etc.

Pour améliorer le suivi et la sécurité des nanotechnologies, les normaliser et mieux évaluer leurs impacts, les chercheurs tentent de mettre au point un matériel capable d'analyser l'ensemble des paramètres importants, par exemple pour suivre la teneur en nanoparticule de l'air ou d'un autre fluide, tout en identifiant les atomes présent, et la structures ou le comportement et les interactions de ces particules (entre elles et avec leur environnement). Plusieurs pistes sont explorées pour la mesure de flux, de quantité de nanoparticules, de rugosité, d'état de surface et de « pas de réseau » d'écoparticules ou écomatériaux, avec notamment :

• amélioration de la microscopie ; Microscopie à champ proche, microscope électronique, microscope à effet tunnel (STM), microscopes à force atomique (AFM, dont microscopie de force atomique métrologique), microscope interférométrique utilisant la diffraction.
• amélioration et invention de capteurs nanométriques pour des mesure dimensionnelle de haute résolution
• amélioration et invention de capteurs thermiques pour une micro-thermographie à résolution submicronique (par caméra à comptage de photons dans l'infrarouge^[2])

Utilité

La nanométrologie est nécessaire

• aux progrès de la physique, de la chimie et de la [science des matériaux]
• aux nanotechnologies
• à l'évaluation des risques toxicologiques et écotoxicologiques induites par les très petites particules (nanoproduits et nanomatériaux souvent 100 000 fois plus petits qu'une cellule humaine moyenne).

Difficulté

À ces échelles, la microscopie optique est dépassée, et l'interférométrie ou les autres moyens de mesures peuvent être perturbés par de très faibles vibrations, de faibles écarts de température, des difficultés de nanopositionnement des capteurs ou des échantillons à étudier, le mouvement brownien, qui peuvent conduire à des incertitudes importantes de certaines mesures.

La nanométrologie doit encore faire face au manque de standardisation et de constance des mesures d'un laboratoire à l'autre voire pour un même instrument^[3].

Caractérisation des aérosols de NP

Aucun matériel ne permet de mesurer conjointement tous les paramètres importants, mais des déductions sont possibles, et des couples de mesures peuvent être obtenues par différents moyens, tous encore à améliorer, notamment pour des mesures en continu et en temps réel ;

la mesure de la masse et de la distribution granulométrique

• la mesure en laboratoire d'échantillons de chaque étage d'un filtre est possible, mais prend du temps.
• Des impacteurs en cascade (de type Berner ou à micro-orifices) permettent une analyse gravimétrique des étages plus fins que 100 nm lors d’évaluation individuelle.
• le TEOM (microbalance à élément oscillant précédée d’un sélecteur granulométrique) mesure la concentration massique d'un nanoaérosol.
• L'ELPI (Electrical Low Pressure Impactor ou impacteur électrique à basse pression) détecte différentiellement les particules selon leur taille, en temps réel, pour la concentration active en surface avec distribution granulométrique de l’aérosol. Si la charge et la masse volumique des particules sont connues ou modélisées, la concentration massique peut être déduite.
• le SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer ou Spectromètre de mobilité électrique) détecte les NP selon leur taille et permet une distribution granulométrique de l’aérosol en temps réel de la concentration en nombre. Si l'on connait la forme et de la densité des NP, on peut déduire la concentration estimée en masse.

Mesure du nombre et de la distribution granulométrique des NP

• le CNC (compteur de noyaux de condensation) a été adapté, via un sélecteur granulométrique, aux domaines nanométriques. Il mesure la concentration en nombre de particules et en temps réel à l’intérieur des limites de détection du diamètre des particules. Un modèle (P-Trak) inclut une présélection avec une limite supérieure de 1000 nm.
• le SMPS détecte la concentration en nombre, en temps réel et selon le diamètre de mobilité (lié à la taille)
• Microscopie électronique. Elle reste une source d’information (en mesure différée) sur la distribution granulométrique et sur la concentration en nombre des particules constituantes de l’aérosol.
• l'ELPI donne en temps réel en fonction de la taille et de la concentration active en surface, une distribution granulométrique de l’aérosol. Si on connaît la charge et la masse volumique des particules, le nombre de particules peut être estimé. Les échantillons peuvent en outre être analysés au laboratoire.

Mesure de la surface spécifique et de la distribution granulométrique

• Des Chargeurs par diffusion (améliorés par un pré-séparateur adapté aux NP) mesurent en temps réel la surface active de l’aérosol
• L’ELPI détecte en temps réel le diamètre aérodynamique, fonction de la taille et de la concentration active en surface.
• Le microscope électronique (dont à transmission) peut offrir des données sur la surface des particules par rapport à leur taille, intéressantes pour certaines formes de particules.
• Le SMPS offre en temps réel des données sur le diamètre de mobilité et la taille, permettant d'évaluer la concentration en nombre, voire à certaines conditions la surface spécifique.
• Le branchement en parallèle d'un SMPS et d'un ELPI permet via la mesure de différences de diamètre aérodynamiques et de mobilité, de déduire la dimension fractale des particules, puis d’estimer leur surface.

Prospective, perspectives

Des mesures via des biointégrateurs ou par divers procédés biotechnologiques sont théoriquement possibles, mais non mises au point et permettant difficilement à ce jour une mesure en continu et en temps réel.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

• S. Ducourtieux, F. Larsonnier, S. Duhem, L. Lahousse, J. Salgado, J. David, G.P. Vailleau, "Le programme de recherche et développement en nanométrologie du BNM-LNE", 11e congrès international de métrologie - Toulon - 20-23 octobre 2003] (Télécharger (fr), PDF, 1 601 Ko)
• G-P. Vailleau, S. Ducourtieux, L. Lahousse, J. David, S. Leleu, "Application d'une nouvelle conception d'architecture à une machine de mesure de résolution nanométrique", Revue française de métrologie, 2005, vol 2005-4, n°4, p35-43 (Télécharger(fr), PDF, 887 Ko) )

Bibliographie

• L. Lahousse, "Contribution à la construction de machines de grande précision géométrique : Le concept d'information dans l'amélioration des performances des machines", Thèse, octobre 2005

Télécharger ((fr) PDF, 5,8 Mo)

Notes et références

• Portail de la physique
• Portail des micro et nanotechnologies