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Les nanotechnologies au service du développement durable


Les tableaux suivants recensent les principales applications issues des nanotechnologies, existantes ou en développement, dans les secteurs du bâtiment, de l’énergie et du transport. Bien que cet état des lieux ait pour objectif une certaine exhaustivité, il faut noter qu’un certain nombre d’applications ne sont pas présentées, au stade notamment de la recherche fondamentale (très grand nombre de pistes qui ne seront pas toutes poursuivies au niveau industriel) et de la recherche appliquée (maintien du secret industriel avant la mise sur le marché).



Les nanotechnologies dans le secteur du bâtiment


Thème Application Remarques
Éclairage • Diodes électroluminescentes (LED) de nouvelle génération
• Nano-luminophores (« quantum dots ») pour mettre au point des surfaces éclairantes non éblouissantes
Isolation • Matériaux nano-poreux isolants :
- SiO2 aérogels
- panneau isolant sous vide (silice pyrogène)
- aérogels hybrides
- aérogels organiques
• Matériaux à changement de phase (absorbent l’excès de chaleur et la restituent quand il fait froid)
• Le coût élevé des isolants nano-poreux constitue une barrière à
• La majorité des entreprises du domaine sont basées aux États- Unis (Aerogel Composite, Nanopore, etc.)
Vitrage • Vitrage hydrophobe autonettoyant, vitrage anti-UV maintenant une luminosité intérieure constante
• Vitrage électro-chromatique (propriétés de transmission du voltage)
• Leadership européen dans les vitrages issus des nanotechnologies : Saint-Gobain, Pilkington…
• Problème de consommation électrique par les vitres électrochromatiques
Chaleur et climatisation • Climatiseur et purificateur d’air à nano-filtre d’argent (antibactérien) • Relargage éventuel des nanoparticules à étudier
Revêtements • Revêtements extérieurs photo-catalytiques autonettoyants (TiO2) ou anti-UV
• Revêtements intérieurs protecteurs, voire ignifugés
• Revêtements antibactériens à nanoparticules d’argent
• Relargage éventuel des nanoparticules à étudier
Matériaux de construction • Matériaux cimentaires avec additifs, pour certains à échelle nano (cendres volantes, fumées de silice…)
• Nano-capteurs à base de nanotubes de carbone pour bétons
• « Bétons souples » : utilisation de nano-fibres glissant les unes contre les autres pour éviter la rupture du béton due à sa rigidité
• « Bétons auto-réparants » : dispersion d’additifs nanos (assurant la réparation de la matrice au cours du temps
• Alliages nanostructurés permettant de rendre l’acier encore plus résistant
• Besoin d’études sur la cimentaires à additifs
Traitement de l’eau • Céramiques nano-poreuses pour la filtration de l’eau
• Filtres à nanotubes de carbone, ou à base d’aquaporines (protéines laissant passer l’eau dans les cellules vivantes)
• Utilisation de nanoparticules magnétiques pour fixer les polluants de l’eau (extraites ensuite grâce à un aimant)
• Nano-rouille pour extraire l’arsenic de l’eau
• Membrane nano-composite de dessalement (osmose inverse)
• Nécessité d’étudier le risque de relargage de nanoparticules dans l’eau consommée
• Importantes perspectives pour le traitement de l’eau dans les pays en développement notamment
Domotique • Apports de la nanoélectronique et des nano-capteurs à « l’habitat communicant » avec des services programmables pour l’habitat individuel ou collectif • Questions éthiques liées à l’utilisation des interfaces hommemachine


Les nanotechnologies dans le secteur de l’énergie


Thème Application Remarques
Hydrogène • Cellules solaires productrices d’hydrogène (rendements actuels de 8 %)
• Matériaux nano-poreux pour le stockage de l’hydrogène (nanotubes de carbone)
• Piles à combustible nanostructurées
Énergie solaire • Amélioration des rendements et diminution des coûts des panneaux photovoltaïques :
- structures tridimensionnelles de nano-fils d’oxyde de zinc (« en forme d’oursins »)
- cellules solaires à nano-fils de silicium, permettant d’absorber la totalité du spectre solaire (rendements potentiels jusqu’à 50 %)
- copage des cellules de silicium par incorporation de faibles quantités d’éléments chimiques (manganèse, par exemple)
- nano-composites base polymère pour le photovoltaïque
• Emploi de molécules biologiques mimant la photosynthèse des plantes à la place du silicium
Énergie éolienne • Amélioration de la performance des turbines grâce à des pales en matériau composite nanostructuré plus résistantes avec revêtement antigel
Géothermie • Amélioration de la conductivité thermique des tuyaux en polyéthylène haute densité (PEHD) chargé de nanoparticules
Nucléaire • Nano-fluides (à base de et oxyde de zinc) aux propriétés thermiques exaltées, pour un meilleur rendement de refroidissement des réacteurs
Stockage de l’électricité (batteries) • Amélioration des performances et durée de vie des batteries lithiumion nanomatériaux variés sont utilisés dans les différents composants de la batterie, tels que cathode, anode, électrolyte ou séparateur (exemple : batterie ion lithium système A123 basé sur du nanophosphate)
• Batterie de puissance (220Wh/kg) Lithium-ion bipolaire
• Supercondensateurs à nanotubes de carbone
• Enjeux de sécurité, notamment dans le cas de certaines nano-poudres (Li4Ti5O12)
• Entreprises leader : Samsung SDI, BASF…


Les nanotechnologies dans le secteur du transport


Thème Application Remarques
Biocarburants • Biocarburants issus de la biologie de synthèse : construction de microorganismes (bactéries, algues, etc.) capables de produire des carburants
• Algo-carburants produits en pleine mer dans des sacs plastiques à membrane nanoperméable (ne laisse passer que l’eau propre, retient les algues et le carburant)
• Importants enjeux éthiques et de régulation de la biologie de synthèse
• Leadership des États-Unis, qui financent fortement la biologie synthétique. BP et le département américain de l’énergie financent à hauteur de 500 M$ un institut dédié aux applications énergétiques de la biologie synthétique. Exxon finance des projets d’algo-carburants.
Véhicule électrique, hybride et thermique • Amélioration des performances des batteries (exemple : électrodes nanostructurées à base de phosphate de fer) • États-Unis et Japon leader dans le domaine, mais industries et spin-off européennes également présentes
• Pots catalytiques à nanocristaux de CeO2 ou ZrO2
• Revêtements nanostructurés antifrottement (pièces internes au moteur, exemple : céramiques nanostructurées à haute ténacité pour accroitre le rendement thermique des moteurs)
• Nano-revêtements pour les parties extérieures (antirayures, antistatique, etc.)
• Lubrifiant contenant des nanoparticules
• Allégement des véhicules par l’utilisation de métaux nanostructurés plus légers et aussi résistants
• Nano-composites
• Impact sanitaire potentiel suite au relargage des nanoparticules
• Coûts de production élevés des métaux nanostructurés
• Les États-Unis dominent la recherche fondamentale sur les composites. En Europe, Airbus et EADS développent la R & D dans le domaine.
• Nanoparticules d’oxyde de cérium utilisées améliorer l’efficacité des carburants pour moteur diesel
• Pneus à basse résistance au roulement incorporant silice
• Impact sanitaire potentiel suite au relargage des nanoparticules
• L’ajout d’additifs mène rarement à des économies significatives de carburant ; les pneus à basse résistance permettent en revanche des gains d’efficacité de 3-5 %
• Nano-fluides pour améliorer le refroidissement des moteurs de véhicules hybrides
Aéronautique • Avionique : nanotechnologies pour systèmes de mémoire résistants aux radiations utilisable dans des systèmes aéronautiques
• Monitoring continu des structures pour détecter les problèmes en amont et limiter la durée des opérations de
• Matériaux intelligents auto-réparateurs (s’adaptent aux différentes étapes d’un vol et réparent les dommages)
• Alliages métalliques nanostructurés et matériaux nano-poreux pour alléger et renforcer les avions
• Matériaux antimicrobiens pour les surfaces intérieures (nanoparticules
• Matériaux retardateurs de flamme (exemple : thermoplastiques haute température à base de nano-argile)
• Composites conducteurs (à base de nanotubes de carbone ou de graphène) pour les boucliers électromagnétiques et protection anti-foudre
• Câbles nanostructurés en alternative aux câbles en cuivre pour augmenter la conductivité électrique et diminuer le poids
• Revêtements résistants à la glace, grâce à des nanoparticules de céramiques
• Nano-revêtements antiusure (composites et métaux enrichis en nanocéramiques) pour préserver l’aérodynamisme des surfaces extérieures
• Exemples d’entreprises : Nantero, Micromem technologies…
• PEL Associates, Rensselaer Polytechnic Institute…
• PEL, Max Planck Institute of colloids and interface…
• The NanoSteel Company, Applied Sciences…
• Starfire Systems, Nanocor…
• NanoTechLabs, Pyrograph…
• Aegis Technnologies, Integran, 3M…
• CG2 NanoCoatings, Luna Innovations…
• Integran technologies, Hyperion technologies, Nanogate…