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Ultrasons et nanoparticules : une combinaison gagnante

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Des chercheurs de McGill découvrent une façon de concevoir des matériaux novateurs à l’aide d’ultrasons
Publié: 31 Juil 2013

Des chercheurs de l’Université McGill ont découvert une façon de lier des matériaux au moyen d’ultrasons. On a habituellement recours aux ultrasons – des vibrations acoustiques dont la fréquence est trop élevée pour qu'elles puissent être perçues par l’oreille humaine – afin de désagréger des particules dans l’eau. Dans le cadre d’une étude réalisée récemment, une équipe de chercheurs dirigée par Jake Barralet, professeur aux facultés de médecine et de médecine dentaire de l’Université McGill, a découvert que les particules, lorsqu’elles sont enduites de phosphate, peuvent adhérer les unes aux autres pour former de solides agglomérats dont la taille est semblable à celle d’un grain de sable. Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue scientifique Advanced Materials.

Les nanoparticules sont extrêmement utiles, mais elles sont également difficiles à contenir, car elles sont invisibles et facilement transportées par l’air. En outre, comme elles pénètrent aisément dans l’organisme humain, elles présentent un risque pour la sécurité du public et des travailleurs industriels. C’est pourquoi une méthode novatrice permettant de faire adhérer les nanoparticules les unes aux autres afin qu’elles puissent être manipulées de façon sûre avec les doigts sans modifier leurs propriétés fonctionnelles pourrait se révéler utile pour un vaste éventail d’applications courantes.

« Le recours aux ultrasons est un processus très doux et à faible énergie si on le compare aux appareils de chauffage et de soudage traditionnels; ainsi, même les médicaments actifs et les enzymes peuvent être intégrés facilement à des transporteurs afin de concevoir des matériaux hybrides novateurs », explique le professeur Barralet, investigateur principal de l’étude et directeur de la recherche au Département de chirurgie de l’Institut de recherche du Centre universitaire de santé McGill.

L’exposition aux ultrasons entraîne la formation de bulles caractérisées par une courte durée de vie (phénomène appelé « cavitation ») et qui, lorsqu’elles implosent, produisent pendant une fraction de microseconde des « points chauds » dont la température peut atteindre des milliers de degrés. La cavitation étant un processus aléatoire et peu fréquent, les scientifiques ont déployé des efforts considérables pour exploiter ce phénomène extrêmement puissant afin de lier des matériaux plutôt que de les détruire. Les chercheurs de McGill ont réalisé une avancée importante en mettant au point une méthode permettant de localiser la cavitation à la surface des nanoparticules. Ce faisant, ils ont découvert que leur enduit de phosphate interagit avec les radicaux instables dans les points chauds, permettant ainsi aux nanoparticules de se « souder » de façon irréversible.

À l’instar d’un créateur de cocktails qui combine les divers ingrédients qui entrent dans la composition d’un martini, les scientifiques des matériaux peuvent maintenant mélanger simplement des nanoparticules préformées et les placer dans un bac à ultrasons pour créer de merveilleux matériaux microparticulaires hybrides, étranges et parfaitement fonctionnels, tels que des catalyseurs conducteurs en céramique, des polymères magnétiques et des métaux enduits de substances médicamenteuses.

« Notre découverte pourrait réduire la perte de platine provenant des pots catalytiques dans les systèmes d’échappement des voitures, par exemple. La moitié du platine extrait chaque année de gisements mondiaux est destiné à la fabrication de pots catalytiques, et jusqu’à la moitié de ce platine se perd dans l’atmosphère pendant la vie du véhicule, faute d’une meilleure méthode – jusqu’à maintenant – pour lier les nanoparticules de façon robuste et durable tout en maintenant leur activité. »

David Bassett, coauteur de l’étude et ancien doctorant à McGill, a contribué à cette découverte après avoir remarqué quelque chose d’inhabituel au fond de son bac à ultrasons.

« Au lieu de rapetisser, ces particules ne cessaient de croître. Nous avons exploré plusieurs avenues sans succès et il m’a fallu trois ans pour comprendre ce qui se passait. Ce fut un processus laborieux, mais nous récoltons maintenant le fruit de nos efforts. »

Références photographiques: Reproduit avec la permission de Wiley-VCH, 2013.

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