Nanometrologi

Innen metrologi er nanometrologi settet med teknikker rettet mot å måle ulike dimensjoner (submikrometrisk) i verden av nanomaterialer . Dimensjonal nanometrologi er definert i Frankrike av LNE som "  vitenskap og praksis for å måle de karakteristiske dimensjonene til objekter, avstander og forskyvninger i området fra 1  nm til 1000  nm  ".

Nye områder og utfordringer

Nanometrologi dukket opp på 1980-tallet, og den må kunne tilpasse seg:

• til kvantitative og kvalitative målebehov generert av nanoteknologier som utvikler seg innen felt bioteknologi, transport , kommunikasjon , mikroelektronikk , mikrolitografi , farmakokjemi , agrifood og visse former for energiproduksjon eller lagring ... Og evalueringsbehovene ( toksikologisk og økotoksikologisk ) knyttet disse sektorene. Den nanotoxicology krever særlig kunne måle det hva det handler om;
• til forskjellige tilstander av materie (pulver, aerosol eller kvassegass, flytende suspensjon, gel) til faseendringer og som gjelder materialer eller molekyler som har spesielle egenskaper indusert av deres størrelse og deres nanometriske struktur;
• til forskjellige nanomaterialer inkludert nanokompositter , såkalt nanostrukturerte (overflate eller volum) eller nanoreinforced materialer, nanopartikler (NP) ( metaller , keramikk , dielektriske materialer , magnetiske oksyder , forskjellige polymerer , karbonatomer ,  etc. ), alene eller i sammensatte former eller konstruksjoner ;
• nanopartikler av naturlig opprinnelse, utilsiktet ( eksplosjon , branner , utilsiktede kjemiske reaksjoner, forurensning) eller som skyldes produksjonsprosesser (inkludert sveising , røyking av mat, polering , damp på grunn av plasma, omrøring av mikrobølger eller høye temperaturer  osv.

Nye behov

Den nanometriske målingen krever nye referansestandarder fordi den må være relatert til mono-, to- eller tredimensjonale aspekter (for eksempel for karbonnanorør eller aspekter som motstand, katalytisk, kjemisk eller biologisk reaktivitet, biopersistens av produktet  osv.

For å forbedre overvåking og sikkerhet av nanoteknologier, standardisere dem og bedre vurdere deres innvirkning , prøver forskere å utvikle utstyr som er i stand til å analysere alle viktige parametere, for eksempel for å overvåke nanopartikkelinnholdet i luften. Eller en annen væske, mens de identifiserer atomer til stede, og strukturen eller oppførselen og samspillet mellom disse partiklene (med hverandre og med deres omgivelser). Flere veier er utforsket for måling av fluss, mengde nanopartikler, ruhet , overflateforhold og "  intet nettverk  " av økopartikler eller miljømaterialer, med særlig:

• forbedret mikroskopi; nærfeltmikroskopi , elektronmikroskopi , skanningstunnelmikroskop (STM), atomkraftmikroskop (AFM, som metrologisk atomkraftmikroskopi ), mikroskopinterferometer ved bruk av diffraksjon  ;
• forbedring og oppfinnelse av nanometriske sensorer for dimensjonsmålinger med høy oppløsning  ;
• forbedring og oppfinnelse av termiske sensorer for mikrotermografi med submikronoppløsning (av infrarødt foton-tellerkamera).

Nytte

Nanometrologi er nødvendig:

• fremgang innen fysikk , kjemi og materialvitenskap  ;
• for nanoteknologi  ;
• vurdering av toksikologiske og økotoksikologiske risikoer indusert av svært små partikler (nanoprodukter og nanomaterialer ofte 100.000 ganger mindre enn en gjennomsnittlig menneskelig celle).

Vanskelighet

På disse skalaene er optisk mikroskopi foreldet, og interferometri eller andre måleinstrumenter kan forstyrres av svært svake vibrasjoner, små temperaturforskjeller, vanskeligheter med nanposisjonering av sensorer eller prøver som skal studeres, brun bevegelse , noe som kan føre til betydelig usikkerhet i visse målinger.

Nanometrologi må fremdeles møte mangelen på standardisering og konsistens av målinger fra ett laboratorium til et annet eller til og med for det samme instrumentet.

Karakterisering av nanopartikkel aerosoler

Intet enkelt materiale kan på egen hånd måle de viktige parametrene som gjør det mulig å karakterisere aerosoler av nanopartikler, som partikkelstørrelsesfordeling, konsentrasjon, morfologi, kjemisk natur osv. Imidlertid er slutninger mulig basert på koblingen av forskjellige måleteknikker.

Måling av massekonsentrasjon og massefordeling av partikkelstørrelse

• Det oscillerende elementets mikrobalanse, foran eller ikke av en partikkelstørrelsesvelger (TEOM, på engelsk Tapered element oscillerende mikrobalanse) måler sanntid massekonsentrasjonen av en nanoaerosol.
• Av kaskade impactors (punkt med fast samplingstypen DLPI, MOUDI, eller individuell Marple typen, Sioutas) forbundet med en gravimetrisk analyse på hvert av trinnene i samlingen tillate bestemmelse av massefordelingen av aerosoler (nanopartikler) med en variabel oppløsning og dekker et utvalg av størrelser fra noen få titalls nm til noen få titalls µm. Innenfor disse samleinnretningene kan avleiringer (tap) av partikler modifisere partikkelstørrelsesfordelingen litt. Når størrelsesoppløsningen er utilstrekkelig, kan verktøy for datainversjon brukes.

Måling av tallkonsentrasjon og antall partikkelstørrelsesfordeling

• CNC ( kondenseringskjernteller ) måler konsentrasjonen i antall partikler, i sanntid og i et spesifisert partikkeldiameterområde, vanligvis fra noen få nm til noen få mikrometer. En modell (P-Trak) inkluderer et forhåndsvalg med en øvre grense på 1000 nm. Ulike teknologier (geometrier, driftsmåter og arbeidsvæsker) eksisterer; verifiseringen av at et apparat fungerer korrekt ved sammenligning med et kalibrert referanseinstrument kan også utføres ved hjelp av en passende installasjon.
• Elektriske mobilitetsanalysatorer (SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer, Nanoscan, FMPS) oppdager konsentrasjonen i antall, i sanntid og i henhold til partikkelenes mobilitetsdiameter, i et størrelsesområde mellom noen få nm og omtrent 1 µm.
• Elektronmikroskopi forblir en kilde til informasjon (i utsatt måling) om partikkelstørrelsesfordelingen og i mindre grad om antallkonsentrasjonen av de inngående partiklene i aerosolen.
• Den lave trykk elektriske slagkroppen (ELPI, Electrical Low Pressure Impactor) gir sanntid partikkelstørrelsesfordelingen av aerosolen avhengig av den aerodynamiske diameteren, på grunnlag av en målt strøm. Prøvene samlet på de forskjellige trinnene kan også analyseres i laboratoriet. Hvis ladningen og tettheten til partiklene er kjent eller modellert, kan også massekonsentrasjonen utledes.

Måling av det spesifikke overflatearealet til nanopartikkel aerosoler

• En tilnærming basert på bruk av elektronmikroskopibilder (inkludert overføring) kan gi indikasjoner på den spesifikke overflaten til partiklene ved å måle størrelsesfordelingen av primærpartiklene.
• Det elektriske mobilitetsspektrometeret (SMPS Scanning Mobility Particle Sizer ) gir sanntidsdata om mobilitetsdiameteren og -størrelsen, for å vurdere overflaten og bulkkonsentrasjonen, og derved utlede det spesifikke overflatearealet.

Måling av tettheten av nanopartikler spredt i luften

Som en påvirkende parameter som styrer oppførselen til partikler i luften (sedimentering, diffusjon, koagulering, agglomerering) eller deres avsetning i luftveiene, kan tettheten av nanopartikler bestemmes ved forskjellige tilnærminger. Denne mengden gjør det også mulig å relatere fordelingen i antall til fordelingen i masse. Imidlertid involverer de fleste tilnærminger for tilgangstetthet en kobling av komplekse teknikker.

Måling av overflatekonsentrasjonen av nanopartikkel aerosoler

Familien med diffusjonsladere er basert på en sammenheng mellom overflaten av partikler og antall elektriske ladninger de bærer. Måling av en strøm gjør det dermed mulig å beregne overflatekonsentrasjonen (µm2 / cm3 luft) til nanopartiklene spredt i luften.

Måling av gjennomsnittsstørrelse og antall konsentrasjon av nanopartikler spredt i luften

Bærbare versjoner av diffusjonsladere, som er egnet for individuell måling og i forskjellige miljøer, er nylig utviklet. I tillegg til overflatekonsentrasjonen av partiklene, returnerer disse enhetene også tallkonsentrasjonen og gjennomsnittlig diameter på partiklene. Deres ytelse har blitt studert i forskjellige situasjoner.

NanoMet: nanometrologi for SMB

I begynnelsen av 2014 ble en kollektiv aksjon initiert av departementet for produktiv oppreisning for å forbedre gjennomførbarheten av prosesser som involverer nanomaterialer i franske SMB-er. Ved å samle tre laboratorier (LNE, CEA-PNS og Mines-ParisTech) og tre små og mellomstore bedrifter (NanoCeram, NanoThinking og Reactiv'IP), ønsker NanoMet-prosjektet å fokusere på SMBs behov og på de midler de har til rådighet for å best møte deres problemer.

For mer informasjon, se prosjektnettstedet.

Merknader og referanser

1. Fransk LNE-side om dimensjonal nanometrologi
2. Eksempel på utstyr for mikro-termografi med submikronoppløsning
3. Nanovitenskap og nanoteknologi: muligheter og usikkerheter , rapport fra Royal Society og Royal Academy of Engineering
4. (in) "  ISO / TR 13014: 2012 - Nanoteknologi - Veiledning om fysisk-kjemisk karakterisering av konstruerte nanoskala materialer for toksikologisk vurdering  " på www.iso.org (åpnet 23. januar 2018 )
5. F. Cosnier, S. Bau, S. Grossmann, H. Nunge, C. Brochard, S. Viton, R. Payet, O. Witschger, L. Gaté, “Design og karakterisering av et inhalasjonssystem for å eksponere gnagere for nanoaerosoler », Aerosol and Air Quality Research, 16 (2016), 2989-3000. < 10.4209 / aaqr.2016.01.0034 >
6. T. Durand, D. Bémer, S. Bau, Y. Morele, V. Matera, D. Rousset, “Kvantifisering av lavtrykksavfallsveggavleiringer under sink nanopartikler prøvetaking”, Aerosol and Air Quality Research, 14 (2014), 1812-1821. < 10.4209 / aaqr.2013.10.0304 >
7. S. Bau, O. Witschger, “Et modulært verktøy for å analysere kaskade Impaktorer data for å forbedre eksponeringsvurdering for luftbårne nanomaterialer”, Journal of Physics: Conference-serien, 429 (2013), 012002. < http: //iopscience.iop. org / artikkel / 10.1088 / 1742-6596 / 429/1/012002 >
8. S. Bau, A. Toussaint, R. Payet, O. Witschger, “Performance studie av ulike Kondensasjon partikkeltellere (CPC): utvikling av en metode basert på steady-state luftbårne DEHS partikler og påføring på en serie av håndholdte og stasjonære CPCs ”, Journal of Physics: Conference Series, 838 (2017), 012002. < http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/838/1/012002 >
9. S. Bau, R. Payet, O. Witschger, E. Jankowska, "Ytelsesstudie av bærbare enheter for sanntidsmåling av luftbåren partikkelantallkonsentrasjon og størrelse (distribusjon)", Journal of Physics: Conference Series , 838 (2017), 012001. < http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/838/1/012001 >
10. A. Charvet, S. Bau, D. Bemer, D. Thomas, “På betydningen av tetthet i ELPI data etterbehandling”, Aerosol Science and Technology, 49 (2015), 1263-1270. < 10.1080 / 02786826.2015.1117568 >
11. S. Bau, O. Witschger, F. Gensdarmes, O. Rastoix, D. Thomas, “A TEM-baserte metode som et alternativ til BET-metoden for måling av off-line den spesifikke overflate-areal på nanoaerosols”, Pulverteknologi, 200 (2010), 190-201. < 10.1016 / j.powtec.2010.02.023 >
12. AA Lall, SK Friedlander, “On-line måling av ultrafint aggregatoverflateareal og volumfordeling ved elektrisk mobilitetsanalyse: I. Teoretisk analyse”, Journal of Aerosol Science, 37 (2006), 260-271. < 10.1016 / j.jaerosci.2005.05.021 >
13. A. Charvet, S. Bau, NE Paez-Coy, D. Bemer, D. Thomas, “Karakterisere den effektive tetthet og primær partikkeldiameter på luftbårne nanopartikler produsert ved gnistutladning, ved hjelp av mobilitet og massemålinger (tandem DMA / APM)” , J. Nanopart. Res, 16 (2014), 2418. < 10.1007 / s11051-014-2418-y >
14. S. Bau, D. Bemer, F. Grippari, J.-C. appert-Collin, D. Thomas, “bestemmelse av den effektive tettheten av luftbårne nanopartikler ved hjelp av flere ladekorreksjon i et tandem DMA / ELPI oppsett”, J. Nanopart . Res., 16 (2014), 2629. < 10.1007 / s11051-014-2629-2 >
15. S. Bau, O. Witschger, F. Gensdarmes, D. Thomas, “Evaluering av tre direkte lesing instrumenter basert på diffusjon lading for å måle overflatekonsentrasjoner i området i polydisperse nanoaerosols i molekylære og overgangs regimer”, Journal of Nanopartikkel Research, 14 ( 2012), 1217-1233. < 10.1007 / s11051-012-1217-6 >
16. AM Todea, S. Beckmann, H. Kaminski, D. Bard, S. Bau, S. Clavaguera, H. Dozol, N. Dziurowitz, K. Elihn, M. Fierz, G. Lidén, A. Meyer-Plath, C. Monz, V. Neumann, J. Pelzer, BK Simonow, P. Thali, I. Tuinman, A. van der Vleuten, H. Vroomen, “Sammenligning av personlige skjermer for eksponering av nanopartikler på arbeidsplasser og i miljøet” , Science of the Total Environment, 605-606 (2017), 929-945. < 10.1016 / j.scitotenv.2017.06.041 >
17. S. Bau, B. Zimmermann, R. Payet, O. Witschger, "Laboratory studium av resultatene i miniatyr-Diffusion Størrelse Klassifiserings (DiSCmini) for forskjellige aerosoler i 15 til 400 nm", Environmental Science: Prosesser og kollisjoner , 17 (2015), 261-269. < http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/em/c4em00491d >
18. NanoMet prosjektets hjemmeside

Se også

Bibliografi

• L. Lahousse, “Bidrag til konstruksjon av maskiner med høy geometrisk presisjon: Konseptet med informasjon for å forbedre maskiners ytelse”, avhandling, Oktober 2005.

Relaterte artikler

• Metrologi
• Nanotoksikologi
• Cindynics
• Risikostyring
• Sertifisering
• Kvalitetstilnærming
• Standard
• ISO 14001
• Mikroskopi

Eksterne linker

•  Nettfil "  Nanomaterials, nanoparticles - Metrology ", fra INRS, National Institute for Research and Safety.

• Ducourtieux S., F. Larsonnier S. Duhem LAHOUSSE L., J. Salgado, J. David, GP Vailleau, "The forsknings- og utviklingsprogram Nanometrology BNM-LNE," 11 th  International Congress of Justervesenet, Toulon, 20-23. oktober 2003] ( nedlasting , [PDF] ).
• Fastlege. Vailleau, S. Ducourtieux, L. Lahousse, J. David, S. Leleu, “Application of a new architectural design to a nanometric resolution measure machine”, Revue française de métrologie , 2005, vol.  2005-4, n o  4, s.  35-43 ( nedlasting , [PDF] ).