Développement de la plate-forme CARMEN

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La nanométrologie suscite un intérêt croissant dans le monde industriel - qui attend des outils précis pour un meilleur contrôle des processus de fabrication et une amélioration des systèmes qualité - ainsi que du point de vue des toxicologues, dans le cadre de l’évaluation des risques associés aux nano-objets.

Pour répondre à ces besoins et pouvoir proposer à l’industrie et au monde académique une offre complète de mesure pour les principaux paramètres caractérisant un nano-objet (taille, forme, polydispersité, composition chimique, état d’agrégation/agglomération, charge en surface, surface spécifique…), le LNE développe depuis 2011 la plate-forme CARMEN (CARactérisation MEtrologique des Nanomatériaux). Cette plate-forme est désormais opérationnelle et a l’ambition de constituer à terme la référence métrologique nationale pour les caractérisations d’objets à l’échelle nanométrique en offrant un moyen de raccordement métrologique aux unités du SI (indispensable pour disposer de résultats de caractérisation fiables et comparables à la fois dans le temps et dans l’espace) et des protocoles de mesure et d’échantillonnage validés métrologiquement. Chaque mesure pourra alors être associée à une incertitude, offrant ainsi aux utilisateurs de la plate-forme un niveau de confiance optimum. Le LNE sera ainsi en capacité d’aider les industriels et les laboratoires à répondre à la demande gouvernementale de déclaration des substances à l’état nanoparticulaires conformément au décret du 17 février 2012 et à l’arrêté du 06 août 2012.

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L’ensemble des instruments nécessaires pour dresser la fiche d’identité d’une nanoparticule (AFM, MEB-EDS, DLS, Zéta-mètre, BET, DRX) a été rassemblé au sein d’un laboratoire comprenant 150 m² de salle blanche en milieu contrôlé (température, hygrométrie, vibration…).

Les travaux de recherche actuels se concentrent sur le développement du cœur dimensionnel de la plate-forme, constitué d’un AFM (Microscope à Force Atomique) et d’un MEB (Microscope Electronique à Balayage). L’étude de la complémentarité de ces deux techniques pour accéder à une mesure métrologiquement traçable de la taille de nanoparticules dans les trois dimensions de l’espace avec des incertitudes de l’ordre du nanomètre est en cours. Une méthode de mesure traçable de la taille de nanoparticules sphériques de référence par AFM a été développée et doit être adaptée au MEB. L’ensemble des sources d’erreur liées à l’AFM a été identifié (dérives thermiques, vitesse de balayage, erreur d’étalonnage, répétabilité de l’instrument, rugosité du substrat…), ce qui a permis d’établir un premier bilan d’incertitude. La traçabilité au mètre des mesures dimensionnelles est assurée par la mise en œuvre d’un AFM métrologique développé au sein du laboratoire.

Compte tenu de l’importance cruciale de pouvoir disposer de particules isolées et bien dispersées sur le substrat dans le cadre du développement d’un protocole de mesure du diamètre et de la distribution en taille de nanoparticules, un effort a été porté sur l’étape « clé » de l’échantillonnage. Plusieurs méthodes de dispersion ont été testées en prenant en compte la nature du substrat, la stabilité de la solution colloïdale de départ et le mode de séchage. De bons résultats ont été obtenus avec une méthode de déposition sur mica mettant en œuvre une tournette

Un logiciel de post-traitement semi-automatique a enfin été développé pour les mesures AFM et MEB. A partir d’images de microscopie, ce logiciel discrimine les nanoparticules isolées des agglomérats, réalise un comptage automatique et construit l’histogramme de distribution des tailles d’une population de nano-objets.

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• Etablissement de la traçabilité des mesures dimensionnelles à l’échelle du nanomètre
• Soutien des plateformes de nanocaractérisation existantes (plate-forme du LETI, plate-forme nanosécurité CEA/LITEN, plate-forme de l’INERIS) en terme de métrologie primaire
• Prestations d’étalonnage du parc français d’AFM et de MEB
• Proposition d’une offre globale de caractérisation des 8 principaux paramètres caractérisant une nanoparticule aux entreprises ou aux laboratoires impliqués dans l’évaluation des risques liés aux nanomatériaux (en réponse à l’obligation de déclaration des substances à l’état nanoparticulaire)
• Prestation de conseil et formation à destination des industriels sur la pratique de l’étalonnage des instruments de nanocaractérisation et les besoins et enjeux d’un raccordement des mesures au SI
• Soutien à la normalisation et aux études toxicologiques et éco-toxicologiques
• Développement dans l’enseignement supérieur de formations intégrant la nanométrologie

FELTIN N., DELVALLEE A., DUCOURTIEUX S., GOURNAY P., POYET B., TRABELSI M., BOUKELLAL Y. et PIQUEMAL F., « CARMEN : « une plateforme de caractérisation métrologique dédiée aux nanomatériaux », Revue Française de Métrologie, 31, 2012, 41-54, DOI : 10.1051/rfm/2012009.

FELTIN N., POYET B. et  DUCOURTIEUX S., “LNE’s CARMEN Platform ”, Workshop International sur les microscopes à force atomique métrologiques, Trappes, France, Février 2011.

DELVALLEE A., FELTIN N., DUCOURTIEUX S., POYET B. ET BOUKELLAL Y., « Mesure traçable de la taille de nanoparticules par microscopie à force atomique », Forum de microscopie à sonde locale, Saint-Jacut-de-la-Mer, France, Mars 2012.

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