Notions générales sur les nanoparticules

Au cours de ces dernières années, on assiste à une révolution industrielle qui s’amorce autour de la nanotechnologie. Cette nouvelle science apporte beaucoup d’enthousiasme aux chercheurs dans plusieurs domaines comme la chimie, la physique et la biologie. En général, on utilise le mot ‘’nanotechnologie’’ pour présenter la branche de la recherche qui s’intéresse à la description du comportement des objets nanométriques. Cependant, les appellations ‘’nanotechnologie’’ et ‘’nanoscience’’ doivent être distinguées. La nanoscience est l’étude des phénomènes et la manipulation des matériaux à l’échelle nanométrique. Tandis que la nanotechnologie est l’ensemble des outils, instruments et techniques qui offrent des moyens pour les études en nanoscience (Alain, 2008; Feigenbaum et al., 2004).

L’utilisation des nanoparticules (NPs) métalliques remonte à l’Antiquité. Elles ont été utilisées pour la fabrication des verres rubis en incorporant de l’Or dans la pâte de verre. Mais à l’époque, l’origine de ces couleurs ultra brillantes reste mystérieuse (Billaud, 2006). Les travaux de Maxwell et Mie ont interprété la coloration par les propriétés optiques des nanoparticules (Link et El-Sayed, 2000). La vraie naissance de la nanotechnologie a eu lieu en 1959 avec les propos de Richard Feynman concernant l’effet de miniaturisation (réduction de taille) sur les propriétés des particules: « il y a plein de place en bas de l’échelle» (Hochella, 2002 ; Senturia, 1994) et le développement de la microscopie électronique à balayage à partir des années quatre-vingt qui a permis de surmonter le défi technique de la visualisation à cette échelle. Cela accéléra la recherche dans ce domaine, en commençant par la découverte des nanotubes de carbone en 1985 et la fabrication de la première nanoparticule (C60 fullerène).

Ce qui fait l’intérêt des nanotechnologies, c’est l’apparition à l’échelle nanométrique des propriétés physicochimiques très différentes de celles constatées pour les mêmes matériaux à l’échelle macroscopique (Sellers et al., 2009). Les nanoparticules ont plusieurs domaines d’application : la chimie et l’environnement (Zhou et al., 2009 ; Aiken et al., 1996 ; Marhaba, 2006 ; Bottero et al., 1993), la télécommunication, l’électronique et l’informatique (Kruis et al., 1998 ; Kwok et Ellenbogen, 2002 ; Gupta, 2005 ; Emerich et Thanos, 2006) et l’agroalimentaire (Pereira et al., 2007). L’utilisation de telle ou telle NP dans le domaine industriel dépend de leurs propriétés spécifiques .

On peut classer les NPs selon différents critères comme la source, la nature chimique, la méthode de fabrication et la taille.

Les nanoparticules qui se retrouvent dans l’environnement ont trois principales sources (Bhatt et Tripathi, 2011) :
– les nanoparticules naturelles : leurs principales sources sont les poussières émises par combustion ou par les volcans, produites par érosion des roches aluminosilicates (imogolites, allophanes) et les phénomènes de nucléation et de condensation des gaz et de vapeur dans l’atmosphère (Oberdörster et al., 2005).
– les nanoparticules produites par l’homme de façon non intentionnelle comme les particules atmosphériques Ultra-Fines PUF. Leurs sources principales sont les véhicules Diesel, dans une moindre mesure les véhicules à essence et les chauffages urbains. Une autre source de ce type de nanoparticules correspond aux fumées de soudure qui contiennent de très fines particules métalliques.
– les nanoparticules produites par l’homme de façon intentionnelle : les nanoparticules manufacturées représentent la principale source de pollution parmi les NPs dans l’environnement. Cela est dû à la production de quantités importantes (58 000 tonnes en 2011, Nowack et Bucheli, 2007) au cours des dernières décennies pour différents domaines d’application industriels (Auffan, 2007 ; Lanone et Boczkowski, 2010). Ce sont les NPs produites par l’homme qui nous intéressent plus particulièrement dans le cadre de cette thèse.

Selon leur nature chimique, il y a deux familles de NPs :
– les nanoparticules inorganiques les plus courantes sont les nanoparticules métalliques comme celles à base d’or ou d’argent et des oxydes métalliques ou des semi-conducteurs comme les oxydes de titane (TiO2), les oxydes de zinc (ZnO), les oxydes de fer (Fe2O3), les oxydes d’aluminium (Al2O3) et la silice (SiO2).
– les nanoparticules organiques comme les nanotubes de carbone à un seul feuillet (SingleWalled Carbon NanoTube SWCNT) ou plusieurs feuilles (Multiwall Carbon Nanotube MWCNT), le fullerène C60 et C70 et le noir de carbone (Goutayer, 2008 ; Simon-Deckers, 2008 ; Prakash et al., 2009 ; Moreno, 2006).

Les NPs manufacturées sont classées en deux familles selon la méthode de synthèse :
– l’approche descendante (top-down) qui consiste à fragmenter des matériaux massifs (miniaturisation) en corps de taille nanométrique, ce qui peut être fait par des méthodes physiques de dissociation. L’inconvénient de cette méthode est la présence d’une limite inférieure pour la taille et la distribution de taille obtenue qui est relativement large.
– l’approche ascendante (bottom-up) est basée sur des méthodes chimiques d’association. Contrairement à la première approche, des atomes métalliques sont agrégés pour obtenir des particules nanométriques qui contiennent de 100 à 10000 atomes. Cette méthode permet le contrôle de la distribution de la taille, la forme et la composition chimique (Sanhes, 2008 ; Lin et Samia, 2006). Dans cette approche on trouve trois procédés (Ostiguy et al., 2006 ; Burda et al., 2005) : i) la condensation en phase gazeuse, ii) l’évaporation puis le dépôt de vapeurs (Bronikowski et al., 2001) et iii) la précipitation contrôlée dans des solvants.

L’enthousiasme pour la nanotechnologie se traduit par l’extension rapide de son marché mondial qui est passé de 800 milliards de dollars en 2004 à 958 milliards de dollars en 2010, il devrait atteindre 1000 milliards de dollars en 2015: soit un taux de croissance annuel de 9.1 % (Afsset, 2006). D’autres estimations donnent des chiffres presque deux fois supérieurs à ceux présentés précédemment pour le marché (Hullmann, 2006 ; Simon-Deckers, 2008 ; Auffan, 2007).

La production de quantités très importantes de NPs ces dernières années et leur contact direct avec l’homme (textile, appareil…) ou le milieu naturel (les sources d’eau, l’air…) ont généré beaucoup d’inquiétude au sein de la population (Geremew, 2012). Pour pouvoir répondre à cette attente, l’étude des propriétés physicochimiques doit être établie afin d’évaluer par la suite la mobilité et la réactivité des NPs dans le milieu naturel (Wiesner et al., 2006).

Les NPs se caractérisent par leur rapport surface/volume très élevé qui induit une forte réactivité chimique. Ce sont ces mêmes caractéristiques des nanoparticules qui peuvent entraîner des effets négatifs pour les espèces vivantes ou l’environnement (Hristozov et Malsch, 2009). Des études récentes montrent que les NPs métalliques (Fe°, ZnO, ZrO2 et CeO2) peuvent générer des espèces réactives de l’oxygène (ERO) qui attaquent les tissus cellulaires et provoquent des lésions sur les protéines ou l’ADN. La génotoxicité dépend de la concentration en NPs, mais surtout de la nature de ces dernières. Ainsi les ZnO, CuO et TiO2 sont plus toxiques que le Fe3O4 et Fe2O3 (Hristozov et Malsch, 2009 ; Lopez-Serrano et al., 2014).

D’autres mécanismes peuvent expliquer la forte toxicité de CuO et ZnO telle que la dissolution des NPs en ions toxiques, Cu et Zn (Karlsson et al., 2008 ; Singh et al., 2007). Cependant, certains travaux ont montré un faible effet toxique de CeO2 où les NPs consomment les EROs présents au lieu de les produire (Brunner et al., 2006 ; Lin et al., 2006). Cette confusion, autour de la toxicité, est aussi observée pour d’autres types de NPs (Lopez-Serrano et al., 2014). D’autre part, les NPs sont très mobiles, ce qui leur permet de se disperser à des larges distances de la source (Keller et al., 2010 ; Pelley et Tufenkji, 2008). Cette mobilité dépend de la nature de sol et les conditions physicochimiques de milieu (Rottman et al., 2013 ; Josko et Oleszczuk, 2013). Par exemple, l’oxyde de titane (TiO2) peut rester stable en suspension plus de 10 jours et traverser une distance de 350 cm dans le sol. Ainsi, les NPs peuvent jouer le rôle de vecteur qui facilite la mobilité des autres polluants peu solubles (polluants organiques) ou fortement adsorbants comme les éléments traces métalliques (Auffan et al., 2009 ; Benedicto et al., 2013). Avec ce type de transport facilité, les NPs peuvent en effet représenter une voie de transport dominante pour les substances polluantes, comme l’ont montré des études récentes sur le Pb (Grolimund et al., 1996 ; Durin, 2006 ; Qafoku, 2010).