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nanoscience nano nanoparticule risques pollution matériau formasciences

Nano-objets naturels, anthropiques ou produits intentionnellement - quels sont les risques  ?

Emeric Frejafon

INERIS

Delphine Chareyron

05/10/2015

Résumé

Cet article présente les nano-objets et les risques associés à leur présence et leur utilisation dans notre quotidien, il est tiré de « Connaître et maîtriser les risques des nanoparticules, qu'elles soient d'origine naturelle, anthropique ou produites intentionnellement », une conférence de Emeric Frejafon donnée le 26 février 2015 pour « FormaSciences » sur le thème : Sciences et prévention des risques, à l'IFE, ENS de Lyon.


1. Les nano-objets, qu'est-ce que c'est ? À quoi ça sert ?

1.1 Définitions

Les nano-objets sont des objets dont la taille se situe typiquement entre 1 nm et 100 nm, figure 1.

Autour de nous, nous trouvons :

  • des nano-objets naturels,
  • des nano-objets anthropiques, c'est-à-dire non intentionnellement produits mais qui sont le résultat d'une activité humaine,
  • et des nano-objets volontairement produits à ces échelles pour les propriétés spécifiques que cette taille leur confère.

Les objets manufacturés à l'échelle nanométrique peuvent aussi être assemblés pour produire des objets dits « nanostructurés » qui peuvent atteindre une taille macroscopique.

Figure 1 : Le nano-monde - définition.

Nano : quelques définitions, en constante évolution - source INERIS

  • Nanosciences : connaissances (théories, modèles, savoir-faire) mobilisées pour comprendre les phénomènes et propriétés nouvelles apparaissant à l'échelle nanométrique (dans des objets dont au moins une dimension est nanométrique).
  • Nanotechnologies : instruments, techniques de fabrication, application des nanosciences pour les produits dérivés (téléphones portables, ordinateurs, cellules solaires, nouveaux médicaments...)
  • Nano-objets : objets dont une dimension au moins est comprise de manière non exclusive entre 1 et 100 nm.
  • Nanomatériaux naturels, accidentels ou intentionnels : substances dont la distribution granulométrique révèle qu'elle est constituée d'au moins 50% de particules primaires isolées, aggrégées ou agglomérées, dont la taille est inférieure à 100 nm.

1.2 Les nanoparticules naturelles et anthropiques

Les nanoparticules naturelles sont toutes les particules issues des activités terrigènes (érosion), des activités volcaniques, des feux de forêt, des activités marines (aérosols de sel) et des composés organiques (transformations gaz/particules). Les nanoparticules anthropiques sont le résultat des activités industrielles humaines. Elles sont issues plus particulièrement des secteurs de l'automobile, l'agriculture et l'industrie (combustion, aérosols...)

Il existe une forte variabilité spatio-temporelle de concentration en particules fines dans l'air. Néanmoins, on peut donner quelques ordres de grandeur de taux concentration en fonction de l'environnement. On compte :

  • entre 50 000 et 10 000 particules/cm3 en ville,
  • moins de 1 000 particules/cm3 dans un environnement rural en l'absence de toute activité,
  • jusqu'à plusieurs millions de particules/cm3 dans des sites industriels.

Le tableau de la figure 2 présente, pour différentes situations industrielles, les concentrations en particules fines.

Figure 2 : Concentration de nano-objets anthropiques.

1.3 Nano-objets intentionnellement produits : les nanomatériaux - applications innovantes

On peut conférer des propriétés nouvelles à des polymères, des métaux, des céramiques, des poudres ou encore des huiles en incorporant des nano-objets à leur composition.

Il est, par exemple, possible de modifier des paramètres tels que :

  • la résistance mécanique, thermique, la corrosion et l'abrasion des matériaux. Les premières applications ont été les raquettes de tennis en carbone nanostructuré.
  • la conductivité thermique ou électrique des polymères. Actuellement, on compte de plus en plus de véhicules en plastique difficile à peindre pour des problèmes électrostatiques. En chargeant ces plastiques avec des nano-objets tels que le carbone, il est possible de les rendre conducteurs, ce qui permet d'économiser de la peinture.

    La technologie LED offre des durées de vie extrêmement élevées, mais nécessite l'emploi de matériaux capables de transférer l'énergie thermique des LED vers l'air environnant. Ces matériaux sont fabriqués à l'aide de nano-objets incorporés à un support en plastique.

  • les propriétés de surface des matériaux. On peut citer comme exemple les lunettes à verres auto-nettoyants. Ils bénéficient d'une capacité catalytique forte, qui permet, en présence d'UV, de dégrader de manière significative les éléments organiques fixés sur les verres.

    Cette propriété peut aussi bénéficier à des bétons, afin de réaliser des bâtiments blancs dont la façade ne se dégrade pas au gré des intempéries. On évite ainsi les ravalements de façade, ce qui permet de faire des économies sur la vie du bâtiment.

L'utilisation de nanoobjets permet encore :

  • de réaliser des économies dans le domaine du transport. On peut fabriquer des véhicules plus légers, moins émissifs, résistants, avec des consommables performants et économes.
  • d'augmenter les performances énergétiques. L'ajout de nano-objets dans les carburants augmente l'efficacité énergétique globale de la combustion. Les batteries conçues avec des nanostructurations permettent d'échanger plus rapidement une grande quantité d'électrons. Les nano-objets interviennent aussi pour créer du photovoltaïque amplifié.
  • d'améliorer les moyens de protections. Il existe aujourd'hui des emballages intelligents biocides. Cette propriété est notamment utilisée à l'intérieur de certains réfrigérateurs. Ils possèdent des surfaces traitées avec du nanoargent qui leur confère un pouvoir bactériologique.
  • d'élaborer des nouveaux produits pharmaceutiques. Des innovations sont aussi réalisées dans le domaine pharmaceutique comme la vectorisation des médicaments. On est maintenant capable d'encapsuler un médicament, un vecteur thérapeutique ou un vecteur diagnostique, pour qu'il se fixe sur un organe précis du corps humain et libère, par exemple, une toxine. Cela ouvre, en outre, la voie à une chimiothérapie ciblée. Néanmoins, il faut rester vigilent car ces vecteurs peuvent génerer une certaine toxicité. Il s'agit de ne pas engendrer un nouveau trouble avec ce type de soin.

La figure 3 présente les applications inductrielles réalisées à l'aide des nanoparticules.

Figure 3 : Utilisation de nanoparticules dans les objets du quotidien.

2 Quels sont les risques sanitaires liés à la présence de nanoparticules dans notre environnement ?

2.1 Comment mesurer la concentration en particules dans l'air ?

Aujourd'hui, la qualité de l'air est diagnostiquée en mesurant la masse de particules par mètre cube d'air. C'est une technique de gravimétrie : on effectue la pesée d'un filtre avant et après prélèvement. C'est la méthode officielle appliquée en France et à l'international pour mesurer la qualité de l'air.

2.2 Des techniques de mesures alternatives

Il existe d'autres approches pour mesurer la concentration en particules :

  • la micro-balance : on mesure les variations de fréquence d'un quartz en fonction de la masse de micromatière déposée dessus.
  • le rayonnement beta : on mesure le rayonnement beta transmis par un filtre en fonction du taux de particules présent à sa surface.
  • l'analyse chimique ou inorganique de particules. Ce n'est plus une mesure réalisée en temps réel mais a posteriori, en laboratoire.
  • les compteurs optiques : on réalise le comptage du nombre d'objets qui passent à travers un faisceau et, à l'aide des modèles de diffusion de lumière, on peut remonter aux concentrations. Cette technique est également utilisée sur les réseaux de surveillance.

Toutes ces méthodes sont ponctuelles, il existe aussi des méthodes résolues dans l'espace, notamment à l'aide de LIDAR.

2.3 Les chiffres de l'OMS

L'OMS demande à ce que l'on atteigne des valeurs cibles de 10 microgrammes par mètre cube en PM2.5 en moyenne annuelle (PM2.5 signifie que 50% des particules d'un volume donné ont un diamètre inférieur à 2,5 μm).

2.4 Répercussions sur la santé et l'environnement

Les études réalisées sur la nocivité des nanoparticules ont permis de mettre en évidence deux effets importants sur la santé, figure 4. Tout d'abord, les particules associées à l'ozone ont le pouvoir d'augmenter la sensibilité aux allergènes. L'autre effet est lié à la taille des particules : plus les particules seraient petites, plus on augmenterait leur capacité à pénétrer jusqu'aux bronches et aux alvéoles.

Ce point est actuellement remis en question car la faible taille des particules pourrait aussi être reponsable d'une diffusion plus rapide. Ainsi les particules auraient tendance à se fixer plus rapidement dans les voies aériennes supérieures. Des études sont actuellement en cours sur la biodistribution, afin de mieux comprendre où vont se fixer les particules dans les poumons. Certains avancent encore que pour une surface donnée, plus les particules sont petites, plus l'activité d'un objet avec le monde biologique qui l'entoure sera grande, ainsi les effets seront amplifiés.

On observe aussi une réactivité très importante des nano-objets par rapport au milieu dans lequel ils se trouvent. Par exemple en modifiant le pH, on peut observer des phénomènes d'agglomération ou de désagglomération des nanoparticules, qui vont entraîner des modifications de passage de barrières ou de cibles biologiques.

Figure 4 : Risques potentiels sur la santé liés aux nanoparticules.

La nocivité des particules fines est aussi visible sur notre planète. Les études ont montré leurs effets sur le changement climatique, notamment via le bilan radiatif. Plus il y a d'objets dans l'atmosphère plus on augmente la capacité de diffusion. Les répercussions sont aussi visibles sur les glaciers dont la couverture noircit à cause de la pollution liée à la combustion. En augmentant l'absorption de sa couverture, on augmente sa fonte.

La présence de particules dans l'atmosphère impacte aussi les écosystèmes. On peut, par exemple, observer la réapparition des abeilles lors des fermetures du tunnel du mont blanc.

Il faut enfin s'assurer que la fin de vie et le recyclage des objets comportant des nanoparticules soit bien gérés pour éviter la dissémination de nano-objets dans l'environnement, figure 5. Un des grands enjeux est de savoir si les nano-objets associés aux matériaux restent fixés sur l'objet manufacturé sur toute sa durée de vie. Le recyclage des objets comportants des nanoparticules est un défi, et fait l'objet, depuis 2008, d'une directive de la politique européenne de gestion des déchets.

Figure 5 : Risques sanitaires liés aux nanoparticules.

3. Quels sont les enjeux

Tout d'abord, il s'agit d'identifier les principales sources de nanoparticules. On a pu mettre en évidence que la combustion (chauffage bois et diesel) et l'agriculture (épandage et NH3) sont les principales sources. Les chercheurs se sont aussi intéressés aux mécanismes de transformation gaz/particules, issues de composés organiques, car ils contribuent à environ 35% du total de particules présentes dans l'atmosphère.

Des actions politiques sont engagées comme l'interdiction du chauffage au bois dans certaines villes ou encore des actions relatives aux véhicules : la pastille verte, les interdictions de rouler, les péages et les incitations sur le mode de transport collectif, hybride... Ces mesures tentent de réduire les contributions liées à la combustion.

On s'est aperçu que mesurer une masse de particules par mètre cube n'est pas adapté à l'échelle nanométrique. Dans une pièce on compte plusieurs millers de particules par centimètre cube, mais seules quelques unes vont réellement contribuer de manière significative à la masse : les plus grosses. Elles sont en faible nombre, mais elles sont les plus lourdes. Il existe donc une incompatibilité d'usage des techniques actuelles de surveillance d'hygiène professionnelle ou de l'environnement avec cette mesure de masse. D'autre part les dangers peuvent être liés à la masse, la forme ou la surface spécifique des nanoobjets. Actuellement, il n'existe pas de métrologie prenant en compte tous ces paramètres.

La législation impose à toutes les entreprises utilisant ou intégrant des nanoparticules de déclarer une sorte de carte d'identité des nanoparticules utilisées ou manufacturées reposant sur huit critères dont la taille, la masse, la surface, la chimie, etc.