Synthèse ultrarapide de nanoparticules par claquage dans des liquides diélectriques
Résumé
Reflets de la Physique n° 51 22 Les récents progrès sur la compréhension des décharges produites dans les liquides diélectriques entre deux électrodes dont on choisit la composition, ouvrent des perspectives nouvelles dans la maîtrise de l'élaboration de nanoparticules. De telles décharges permettent de synthétiser des nanoparticules ayant des diamètres caractéristiques compris entre 2 et 10 nm. Surtout, elles permettent d'atteindre des rendements de production remarquablement élevés, de l'ordre de la centaine de grammes par heure. La difficulté principale consiste à maîtriser ce procédé qui est basé sur un phénomène stochastique : le claquage d'un diélectrique, qui permet la formation d'une décharge électrique. Synthèse ultrarapide de nanoparticules par claquage dans des liquides diélectriques L'étude des décharges produites entre deux électrodes dans des liquides diélectriques a longtemps été l'apanage des électrotech-niciens, qui cherchaient à améliorer les disjoncteurs de forte puissance. En observant que les électrodes s'érodaient lors de chaque décharge, les ingénieurs ont pensé à exploiter ce phénomène pour améliorer l'usinage des métaux. C'est ainsi que l'usinage par électro érosion est apparu et a été développé pour atteindre aujourd'hui des records de résolution, avec une précision de l'ordre du micromètre au niveau industriel. Des dispositifs basés sur des microscopes à force atomique permettent même d'obtenir aujourd'hui des nanotrous en laboratoire. La pointe de l'instrument est alors utilisée comme électrode de haute tension pour éroder la contre-électrode à très petite échelle. Plus récemment, ce domaine a connu un regain d'intérêt en raison de l'apparition de nouvelles applications potentielles comme la synthèse de nanoparticules, l'oxydation électrolytique d'alliages métalliques ou le traitement de l'eau et des effluents. Ces développements s'accompagnent d'une redécouverte de ces décharges à haute pression, dont la physique nécessite d'être approfondie. En effet, les décharges dans les liquides créées entre deux électrodes ont un comportement fondamentalement stochastique : il est impossible de reproduire une décharge exactement à l'identique, effet qui a longtemps limité leur étude par détection synchrone. Cela résulte princi-palement de l'étape liée à l'injection de charges, qui sera décrite ultérieurement. Néanmoins, l'apparition de générateurs d'impulsions nanoseconde et même pico-seconde fonctionnant à haute tension (de 1 à 100 kV suivant les cas) a permis d'améliorer grandement la caractérisation de ces milieux ionisés, comme nous allons le voir. Phénoménologie des décharges La formation d'une décharge dans un liquide diélectrique implique un nombre important de phénomènes, de sorte qu'en démêler l'écheveau est particulièrement complexe. On distingue cinq étapes prin-cipales au cours d'un événement, chacune associée à un comportement électrique spécifique (fig. 1) : 1) La première phase consiste à mettre le liquide sous contrainte mécanique, en élevant la tension jusqu'à une valeur qui permet de réaliser la rupture du diélectrique. Typiquement, pour l'eau distillée, le champ électrique de claquage est de l'ordre de quelques MV.cm-1. 2) La phase de préclaquage correspond à une injection de charges du métal vers le liquide, qui se traduit par des oscillations de la tension électrique (encart, fig. 1). Elle peut s'accompagner, sur des temps de quelques dizaines de nanosecondes, d'un mouvement du liquide induit par un phénomène électrohydrodynamique (distinct du phénomène d'électrostriction qui se produit sur des temps plus courts, inférieurs à la nanoseconde), au cours duquel des particules ionisées lourdes vont se déplacer sous l'effet du champ électrique et déplacer avec elles le liquide alentour. Cette étape contribue, par des mécanismes différents selon la vitesse de montée en tension, à créer une zone de moindre densité, qui va permettre l'amorçage de la décharge. 3) La phase d'amorçage correspond à l'émission par le liquide comprimé
Origine : Fichiers éditeurs autorisés sur une archive ouverte
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