Les nanomatériaux ont déjà fait irruption dans notre vie quotidienne, ce qui a d'ailleurs fait plus d'une fois l'actualité. Chaque jour, la liste des produits qui ont été “dopés” aux nanomatériaux s'allonge: présence de nanoparticules métalliques (nano-agents) dans les vêtements pour les rendre autodésodorisants ou autodésinfectants, ajout de dioxyde de titane (TiO2 )dans le ciment pour qu'il soit autonettoyant,utilisation de nanopoudres de céramiques pour obtenir des propriétés spécifiques lors de traitement de surface, etc. Néanmoins, ces développements posent plus de questions qu'ils n'en résolvent.

Des questions d'ordre général concernant l'effet de ces nano-objets sur la santé, par exemple, ou des interrogations plus techniques comme les méthodologies et les instruments de mesure à mettre en œuvre pour s'assurer de la “qualité” des nanoparticules et nanomatériaux ainsi fabriqués. D'où l'apparition du terme de nanométrologie.

« En microélectronique, les nœuds technologiques actuels,à savoir la taille du plus petit objet fabriqué, en deçà de 20 nm, posent des problèmes importants en termes d'alignement et de répétabilité des puces. A cela s'ajoute la non-correspondance des étalons des lignes de fabrication d'une société à l'autre (lors de rachat ou de regroupement) », constate Nicolas Feltin, responsable de missions en nanométrologie au Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE). On peut citer un autre domaine qui est confronté à des problèmes en matière de nanoparticules: il s'agit des essais de toxicité et d'écotoxicité.On touche ici à un enjeu sociétal qui porte sur la santé et l'environnement. « Depuis une quinzaine d'années, les études sur les nanoparticules ne sont pas concluantes en raison de l'incohérence entre les rapports, poursuit Nicolas Feltin. Certaines études disent que le TiO2 n'est pas dangereux alors que d'autres affirment le contraire.Pour lever les incohérences,il faut mieux connaître les nanoparticules dont le comportement dépend de la manière dont elles ont été fabriquées [procédé chimique ou physique,NDR] , ce qui explique leur mutation dans le corps humain (environnement basique, acide…). »

Dans le cadre de la plate-forme de caractérisation métrologique des nanomatériaux Carmen, le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) a développé un AFM métrologique, qui sera la pierre angulaire de toute la chaîne de traçabilité à l'échelle nanométrique, et s'est doté d'un microscope électronique à balayage (MEB) de Zeiss.

C'est bien une question de taille…

Historiquement, le LNE s'est donc lancé dans la nanométrologie parce que la mise en place d'une métrologie et d'une instrumentation adaptées à l'échelle nanométrique aurait un effet “catalyseur” sur le développement global des nanotechnologies. Mais la nanométrologie n'en est qu'à ses balbutiements… « Il faudrait avant tout se mettre d'accord sur la définition d'un nanomatériau.Plusieurs définitions existent, selon que l'on soit anglo-saxon ou européen. Pour les premiers, un nanomatériau possède des propriétés nouvelles, qui n'existaient pas auparavant ; pour les seconds, c'est une question de taille », résume Nicolas Feltin. La recommandation n°2011/696/UE définit en effet un nanomatériau comme « un matériau comportant toute dimension externe à l'échelle nanométrique ou une structure interne ou en surface à l'échelle nanométrique. Quant au terme “échelle nanométrique”, il est défini comme un spectre de dimensions d'environ 1 à 100 nm ».

A l'échelle nanométrique, les matériaux se comportent différemment qu'au niveau macroscopique. Toutes les propriétés physiques fonctionnelles dépendent en effet des dimensions géométriques. « Cela signifie que, sans la connaissance de la taille d'un nanomatériau, on ne peut rien dire sur ce dernier. Il faut donc des méthodologies et des instruments de mesure très précis pour contrôler la distribution en taille (et non une dimension proprement dite) », ajoute Nicolas Feltin.

En 2009 a été définie une liste réduite de paramètres pertinents. Il s'agit de la taille, de la forme, de la composition chimique, de la structure cristallographique, de la surface spécifique (paramètres intrinsèques d'un nano-objet), de la distribution en taille, de l'état d'agrégation et d'agglomération (effets collectifs), de la chimie de surface et de la charge en surface (effets de l'environnement).Auxquels on peut également ajouter la solubilité sous forme ionique et la dispersibilité, à savoir la capacité de ne pas s'agglomérer ou s'agréger.

Et la nanométrologie? Il s'agit de la science de la mesure à l'échelle du nanomètre mais, contrairement à ce l'on peut penser, qui ne se résume pas au niveau dimensionnel. S'il n'y avait pas eu de changement de paradigme, jusque-là, en métrologie, les nanomatériaux imposent de repenser la façon de penser, en inventant de nouvelles méthodologies, de nouveaux équipements et un nouveau système de traçabilité au Système international d'unités (SI).

« Le SI va en effet muter et être basé, non plus sur des unités anthropomorphique et macroscopiques, mais sur des constantes fondamentales plus représentatives. Nous avons senti le besoin de développer de nouveaux référentiels et instruments de mesure pour la nanométrologie, lorsque, à la fin des années 90, les travaux des physiciens, biologistes, ingénieurs et chimistes se sont rejoints. Les trois premiers conçoivent des objets de plus en plus petits, tandis que les chimistes, eux, travaillent sur des structures de plus en plus grosses », explique Nicolas Feltin. Le soutien aux industriels dans le domaine de la fabrication de nanomatériaux et nanodispositifs, qui exige le développement d'une nanométrologie multidisciplinaire, a pris différents visages.

Nicolas Feltin, responsable de missions en nanométrologie au Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE).

Le LNE met en œuvre la plate-forme Carmen

A côté de la création du Club nanométrique piloté par le centre de compétences en nanosciences C'Nano et le LNE ( voir encadré ), ce dernier met actuellement en place une plate-forme de caractérisation métrologique des nanomatériaux, baptisée Carmen. Dans une salle blanche d'une surface de 150 m ² , les équipes du laboratoire national de Trappes (78) auront à leur disposition un ensemble d'équipements afin de poursuivre les travaux sur le système SI, de développer de nouveaux étalons, à partir de dispositifs nanostructurés, et de l'instrumentation associée pour les besoins de la métrologie, de l'industrie et de la recherche, ainsi que de développer une métrologie au service des nanotechnologies (propriétés physicochimiques des nano-objets et performances des matériaux nanostructurés).

Parmi les instruments de mesure déjà en place, on trouve un microscope à force atomique (AFM) métrologique, qui est la pierre angulaire de toute la chaîne de traçabilité à l'échelle nanométrique, et un microscope électronique à balayage (MEB). « L'AFM métrologique, que nous avons développé en interne, est, pour simplifier, un AFM classique doté de quatre interféromètres différentiels, sachant que deux interféromètres servent à la redondance. Chaque interféromètre a un faisceau positionné sur la pointe et l'autre sur le nano-objet pour connaître en temps réel la position de la pointe par rapport à l'objet. Grâce à l'utilisation des interféromètres, nous disposons d'une traçabilité directe avec l'étalon du mètre (qui repose sur des lasers stabilisés en fréquence) », explique Nicolas Feltin. La plate-forme sera ensuite équipée notamment d'un système de diffraction à rayons X, d'un analyseur de surface spécifique (méthode BET), d'un système d'analyseur à dispersion d'énergie (EDS)…

« Grâce notamment aux documents du consortium européen Co-Nanomet [voir encadré] ,nous avons très vite su qu'un seul équipement ne pourrait pas réaliser toutes les mesures physiques et chimiques (pour les aérosols). Pour ne prendre qu'un exemple, il y a complémentarité entre un AFM, qui présente une très bonne précision des mesures sur l'axe Z, et un MEB, dont le point fort est la précision en X et Y », précise Nicolas Feltin. Il reste encore un certain nombre de problèmes à résoudre, comme le manque de repositionnement pour effectuer les mesures toujours au même endroit, que ce soit avec l'AFM et le MEB. Et les développements en nanométrologie mettent en avant de nouvelles technologies, la métrologie hybride ou fusion des données (algorithmes prenant le meilleur de plusieurs techniques afin d'obtenir une incertitude inférieure à la plus faible des appareils utilisés) pour n'en citer qu'une seule.