Comment bien classer une substance chimique dans la catégorie « nanomatériaux »

La bonne classification d’une substance chimique dans la catégorie des nanomatériaux est capitale pour répondre aux exigences réglementaires en vigueur aux niveaux français ou européen, mais aussi pour mieux connaître les substances manipulées en vue de mettre en œuvre, si besoin, les bonnes dispositions de gestion des risques. Or toutes les techniques d’analyse disponibles et mises en œuvre, même par les prestataires de service, ne sont pas forcément adaptées pour répondre correctement à cette question.

Nanomatériau ou pas ?

La bonne classification d’une substance chimique dans la catégorie des nanomatériaux est capitale pour répondre aux exigences réglementaires en vigueur aux niveaux français (Déclaration française obligatoire R-Nano) ou européen (REACH, Règlement Biocides n° 528/2012, Règlement sur les dispositifs médicaux n°745/2017, Règlement Cosmétiques n°1223/2009, Règlement INCO n°1169/2011…), mais aussi pour mieux connaître les substances manipulées en vue de mettre en œuvre, si besoin, les bonnes dispositions de gestion des risques. Or toutes les techniques d’analyse disponibles et mises en œuvre, même par les prestataires de service, ne sont pas forcément adaptées pour répondre correctement à cette question.

Définir un nanomatériau

Cette classification passe bien évidemment par le choix de la définition d’un nanomatériau à faire parmi celles qui cohabitent aux niveaux français et européen avec des critères différents. Alors que le règlement n°1223/2009 utilise par exemple des notions d’intentionnalité de production, d’insolubilité et même de structure interne pour prendre en compte les agglomérats/agrégats éventuellement présents, l’approche retenue dans la Recommandation de définition de la Commission européenne (2011/696/EU) et censée, à termes, permettre une harmonisation des concepts entre les différents secteurs industriels. Elle fait appel à la distribution de tailles en nombre des particules constitutives (ou particules primaires) de la substance, que ces dernières soient isolées ou intégrées à des agglomérats/agrégats.

« On entend par nanomatériau un matériau naturel, formé accidentellement ou manufacturé contenant des particules libres, sous forme d’agrégats ou sous forme d’agglomérats dont au moins 50 % des particules, dans la répartition numérique par taille, présentent une ou plusieurs dimensions externes se situant entre 1 et 100 nm.

Tout matériau est à considérer comme un nanomatériau dès lors qu’il présente une surface spécifique en volume supérieure à 60 m2 /cm3»

A noter que la différence entre « agglomérat » et « agrégat » vient essentiellement des forces retenant les particules les unes aux autres. Dans le cas des « agrégats », ces forces seront plutôt de type covalent et seront très difficiles, voire même la plupart du temps impossible à casser.

Différences entre agglomérat, agrégat et particules

Le besoin d’accéder à la taille des particules constitutives (ou particules primaires) est cependant justifié dans la Recommandation 2011/696/UE par le fait qu’au cours du cycle de vie d’un nanomatériau, il peut (ou pourrait) arriver que des particules se détachent d’un agglomérat ou d’un agrégat et qu’en l’état actuel des connaissances scientifiques, il n’est pas possible d’assurer que cela ne sera pas le cas :

« Il convient en conséquence que la définition établie dans la présente recommandation inclut également les particules intégrées à des agglomérats ou à des agrégats, dès lors que les particules constitutives présentent des dimensions comprises entre 1 nm et 100 nm » (point 12 de la Recommandation de définition de la Commission européenne 2011/696/EU).

Afin de permettre aux industriels de répondre à cette obligation nouvelle et complexe pour eux, le JRC (Joint Research Center) a publié en 2019 deux rapports très explicites :

  • le premier, intitulé "An overview of concepts and terms used in the European Commission’s definition of nanomaterial",  apporte des éclaircissements sur les termes et notions clés utilisés dans la définition d’un nanomatériau ;
  • le second, intitulé "Identification of nanomaterials through measurements", dresse un tableau complet des techniques d’analyse disponibles pour déterminer la distribution de taille en nombre de particules. Les principales limitations de chaque technique y sont données afin de pouvoir écarter les approches qui ne seraient pas adaptées aux spécificités des substances à caractériser. Le document préconise également une méthodologie à deux niveaux (méthodes de screening et méthodes de confirmation) avec l’expression de critères pour passer d’une étape à l’autre.

Parmi les principaux points à retenir du premier document :

Particules d'oxyde de fer allongée
Particules allongées d’oxyde de fer, dont il

faudra caractériser la plus petite dimension,

ici la largeur des bâtonnets

  • la définition de particules constitutives (ou primaires) dont il faut pouvoir mesurer la taille qu'elles soient isolées ou incorporées à des agglomérats/agrégats, ce qui exclut un certain nombre de techniques d'analyse lorsque les particules sont agglomérées/agrégées (ce qui est souvent le cas) ;
  • la restriction du champ d'application de la définition aux seules particules solides (au sens "état de la matière" et en opposition aux états liquides ou gazeux), avec comme conséquence d'exclure de façon claire les systèmes dynamiques tels que les micelles ou les gouttes dans des émulsions ;
  • le besoin de devoir caractériser les dimensions externes des particules (en opposition à des dimensions internes comme de la porosité par exemple) pour savoir comment classer une substance ;
  • le besoin de devoir accéder à la plus petite dimension des particules, avec en filigrane une discussion sur la notion de dimensions dès lors qu’une particule n’est pas sphérique (forme quelconque, aiguilles/bâtonnets/tubes, plaquettes/feuillets…) et une mise en garde sur le fait que de nombreuses techniques d’analyse font une hypothèse de sphéricité ;

Illustration de différentes formes de particules et de paramètres morphologiques
Illustration de différentes formes de particules

et de paramètres morphologiques (adaptée

du rapport JRC 2019 sur les termes et concepts clés)

  • La mention que les dimensions externes de particules de forme irrégulière peuvent être évaluées par Microscopie Electronique au moyen du diamètre de Féret[1] minimum et/ou du diamètre du plus grand cercle inscrit ;
  • le rappel que la distribution de tailles à communiquer est la distribution de tailles en nombre, alors que de nombreuses techniques de mesure donnent d'autres types de distributions dont la conversion vers une distribution de tailles en nombre est très souvent entachée de nombreuses incertitudes...
  • le rappel que le diamètre d’intérêt à déterminer est le diamètre médian D50 [2] qui ne correspond pas toujours au diamètre moyen Dm ! Il faut pour cela que la distribution de tailles des particules soit de type gaussien (c’est-à-dire symétrique autour de la valeur médiane/moyenne), ce qui est loin d’être toujours le cas (cas de distribution log-normale…)

 

Distribution taille de particules

  • la mention que le recours à l’aire de surface spécifique en volume des particules (VSSA exprimée en m2/cm3) peut être un indicateur fiable qu'un matériau est un nanomatériau (si VSSA > 60 m2/cm3), à moins que les particules soient poreuses ou aient une surface rugueuse. La contribution de la porosité à la VSSA est alors à extraire ;
  • la mise en garde que la réciproque n'est pas vraie. Beaucoup de nanomatériaux vont avoir une VSSA < 60 m2/cm3 !

 

Consulter les rapports du JRC :

An overview of concepts and terms used in the European Commission’s definition of nanomaterial

Identification of nanomaterials through measurements

En savoir plus sur le JRC

Des domaines d’applicabilité des techniques à maîtriser

Dans tous les cas, la caractérisation de la distribution de tailles en nombre des particules constitutives présentes est cruciale. Or le choix de la technique utilisée pour déterminer cette information dépend directement des caractéristiques physico-chimiques de la substance considérée (forme des particules, composition chimique, état d’agglomération/agrégation, polydispersité[3]…) !

De nombreuses techniques permettent en effet aujourd’hui de caractériser la distribution en taille d’un échantillon particulaire (DLS, A4F-MALS, sp-ICPMS, CLS, SMPS, SEM, TEM, AFM, PTA,…)[4], mais à ce jour aucune d’elles n’est parfaite. Des résultats nettement différents peuvent ainsi être obtenus en fonction de la technique utilisée, comme cela a été montré notamment lors d’une comparaison inter-laboratoires organisée dans le cadre du Club nanoMétrologie [5]. La norme FD ISO/TR 18196 et un rapport du JRC de 2012[6] donnent les avantages et les grandes limitations des principales techniques disponibles et constituent une bonne base de départ pour défricher le terrain.

La plupart de ces techniques fournissent par exemple des distributions de tailles en intensité, en masse ou en volume du fait du principe physique mis en œuvre pour détecter et caractériser les particules. Or ces types de distributions conduisent à un « tassement » de la vraie proportion des nanoparticules potentiellement présentes, contrairement aux résultats exprimés en termes de distribution en nombre de particules.

Il convient par ailleurs de pouvoir accéder à la plus petite dimension des particules pour répondre aux exigences des définitions européennes d’un nanomatériau. En effet le terme nanomatériau correspond ici à un concept réglementaire, qui repose sur la présence d’une certaine proportion de « nano-objets », dont la définition est donnée dans la norme ISO 80 004-1. Ces derniers peuvent être de différentes natures et présenter leurs 3 dimensions entre 1 et 100 nm (nanoparticule), seulement 2 (nanotube/nanofil) ou même une seule (nanoplaquette/nanofeuillet)[7]. La plupart des techniques d’analyse disponibles font malheureusement l’hypothèse que les particules sont sphériques, ce qui tend bien évidemment à biaiser les résultats obtenus lorsque cela n’est pas le cas… Des conclusions erronées peuvent même être tirées de ces données (faux-négatifs). La forme des particules considérées aura donc un rôle essentiel dans le choix des techniques à potentiellement retenir et mérite d’être connue avant toute analyse.

L’état d’agglomération/agrégation des particules va par ailleurs largement impacter les résultats puisqu’il faut pouvoir accéder aux informations sur la taille des particules constitutives ou à la structure interne des objets présents (agglomérats/agrégats) dans le cas de la définition donnée par le règlement cosmétique (ou même pour le règlement INCO dans le secteur agroalimentaire). Or les nano-objets ont très souvent tendance à se regrouper en amas (comme des grappes de raisin) et beaucoup des techniques d’analyse verront la taille des agglomérats/agrégats présents et non pas celle des particules constitutives (le grain de raisin dans la grappe), si l’étape de préparation de l’échantillon n’a pas été correctement réalisée.

Autre point important, la résolution de la majorité des techniques en termes de taille minimale accessible est plutôt de quelques nanomètres, voire de dizaine de nanomètres, et ne permet donc pas de couvrir l’échelle nanométrique telle qu’elle est définie, à savoir entre 1 et 100 nm. Ces techniques ne pourront donc pas voir des particules très petites, même si celles-ci sont présentes dans l’échantillon, biaisant ainsi l’évaluation du pourcentage en nombre de nano-objets.

Enfin très peu des techniques mentionnées plus haut permettent d’accéder à la composition chimique des particules mesurées, ce qui rend impossible la caractérisation d’échantillons qui contiendraient un mélange de plusieurs substances sous forme particulaire. Seule la microscopie électronique (MEB & MET) couplée à un détecteur EDX[8], la sp ICP-MS ou l’A4F couplée à un ICP-MS fournissent ce type d’information, avec néanmoins des limitations spécifiques à chaque approche.

Une caractérisation cruciale, mais complexe

Afin de pallier à ces limitations, les autorités européennes recommandent, notamment sur la base des résultats du projet européen NanoDefine auquel le LNE a contribué, de croiser les résultats obtenus via plusieurs techniques d’analyse.

La caractérisation d’une substance par au moins deux d’entre elles, parmi lesquelles la microscopie électronique (Microscopie Electronique à Balayage/ MEB ou Microscopie Electronique à Transmission / MET), est ainsi présentée comme un minimum. La Microscopie Electronique est en effet considérée comme une technique de confirmation (référence) et doit ainsi être incluse dans cette démarche en plus de méthodes de screening (DLS, sp ICP-MS, CLS, PTA, BET,…). Ces dernières doivent cependant être correctement sélectionnées en fonction des spécificités de la substance, certaines pouvant en effet être amenées à être proscrites selon les cas.

L’outil NanoDefiner e-Tool, une interface en accès libre disponible sur le site web du projet européen NanoDefine, permet d’identifier la (les) technique(s) pertinentes en fonction de la substance à caractériser, ainsi que celles à éviter[9]). Le second rapport du JRC publié en 2019 précise tout cela.

Nanodefine

Différentes approches possibles

Différentes approches sont préconisées selon que la substance à évaluer est sous forme de poudre ou de suspension colloïdale.

Dans le premier cas, une méthodologie de screening basée sur la mesure de l’aire de surface spécifique via la méthode BET est préconisée sur les bases de la publication de Wohlleben et al. (Reliable nanomaterial classification of powders using the volume-specific surface area method, Journal of Nanoparticle Research 19:61, 2017)[10]. Il est cependant nécessaire de faire appel à la Microscopie Electronique (MEB ou MET) dans certains cas, lorsque les résultats BET ne permettent pas de conclure.

Dans le second cas, tout un panel de techniques peut être utilisé pour une étape de screening. Ces techniques permettent de conclure rapidement sur la classification de la substance dès lors que les résultats conduisent à un D50 inférieur à 100 nm. Dans le cas contraire, un certain nombre de vérifications sont nécessaires et le recours à la Microscopie Electronique (MEB ou MET) est très souvent un passage obligé comme cela est décrit sur le logigramme ci-après.

A noter que dans le cas de nano-objets de type nanofeuillet/nanoplaquettes pour lesquels seule l’épaisseur sera à l’échelle nanométrique (entre 1 et 100 nm), il peut néanmoins arriver que cette méthodologie ne soit pas suffisante. Il faut dans ces cas-là très souvent faire appel à la Microscopie à Force Atomique (AFM), seule technique permettant de mesurer des épaisseurs.  

 

Logigramme de caractérisation de particules
Logigramme pour caractériser une substance sous forme de suspension colloïdale en vue de déterminer sa classification éventuelle comme Nanomatériau selon la Recommandation de définition de la Commission européenne (2011/696/EU)

La mise en œuvre de protocoles validés et harmonisés est également centrale, notamment en ce qui concerne la préparation d’échantillons et le traitement des données, sous peine d’obtenir des résultats difficilement comparables. Des initiatives sont en cours aux niveaux français avec le projet NANOMET et le projet européen nPSize pour avancer sur ces questions et diffuser les bonnes pratiques.

Projet français Nanomet

Projet européen nPSize (programme EMPIR),

Dans l’intervalle cependant, le recours à des laboratoires experts de ce type de caractérisations complexes est le meilleur garant de données de qualité. L’initiative EC4SafeNano (European Centre for Risk Management and Safe Innovation in Nanomaterials & Nanotechnologies), à laquelle le LNE participe en tant que Membre Associé, a visé par exemple à cartographier les expertises au niveau européen pour aider les industriels dans leurs recherches d’accompagnement. La nécessité que ces laboratoires soient à termes accrédités selon la norme ISO 17 025 a cependant été identifiée comme la prochaine étape indispensable à l’amélioration de la comparabilité des résultats d’essais.

EC4safenano

Une réflexion est par ailleurs en cours au sein du projet européen NanoFabNet pour créer à l’horizon 2022 un Hub international permettant d’accompagner une nanofabrication durable. Différentes options sont envisagées comme la mise en place de comparaisons inter-laboratoires permettant aux acteurs européens d’évaluer leur maîtrise du sujet « nano » et de leurs méthodologies analytiques en vue notamment de futures demandes d’accréditation. Le LNE a la responsabilité de ces réflexions sur les questions de validation et d’harmonisation au sein de ce projet européen structurant.

Projet européen NANOFABNET

Une formation dédiée aux questions abordées dans ce document a néanmoins déjà été mise en place par le LNE depuis 2018 pour transférer toute l’expertise acquise par les équipes de l’Institut LNE Nanotech sur ce sujet complexe via leur contribution à de nombreuses actions de recherche. Au programme de cette formation (Caractériser la taille des nanoparticules pour maîtriser vos matières premières - Référence ME 100), une présentation du contexte réglementaire et de différents concepts clés associés aux nanomatériaux, un tour d’horizon des différentes techniques d’analyse existantes (avantages/limitations/norme en vigueur), les conditions de comparabilité des résultats et les principaux points d'attention à avoir sur la base de cas concrets. L’objectif est d’être capable à l’issue de la journée de décrypter les données communiquées par les fournisseurs de matières premières, d’évaluer la pertinence des techniques d'analyse mises en œuvre et la qualité des données obtenues et de pouvoir challenger les prestataires de services pour éviter de possibles mauvaises surprises…

Stage de formation Caractériser la taille des nanoparticules pour maîtriser vos matières premières (réf ME 100)

Pour aller plus loin

Découvrez l'institut LNE-Nanotech  – Institut de métrologie pour les nanotechnologies.

Consultez notre dossier « Caractérisez les nanomatériaux ».

 


Définitions et références
[1]Diamètre de Féret = valeur moyenne de la distance entre deux tangentes au contour projeté́ tracées parallèlement à une direction donnée

[2]Diamètre médian / D50 = Diamètre de la population de particules qui divise la distribution en deux parties d'aires égales. Si la distribution est en nombre alors 50% des particules ont une taille inférieure au D50
[3]Polydispersité = Etat d'une population dans laquelle les particules ont des dimensions très différentes (par exemple de quelques nanomètres à plusieurs micromètres), à opposer à une population monodisperse (distribution de taille très étroite)
[4]DLS = Diffusion Dynamique de la Lumière (Dynamic Light Scattering), A4F = Fractionnement par couplage flux-force (Asymetric Flow-Field Flow Fractionation), sp ICP-MS = Spectrométrie de Masse à source plasma en mode Comptage individuel, CLS = Sédimentaton Liquide Centrifuge (Centrifugal Liquid Sedimentation),  SMPS = Spectromètre de mobilité électrique (Scanning Mobility Particles Sizer), PTA = Analyseur par Traçage de Particules (Particles Tracking Analysis), AFM = Microscopie à Force Atomique (Atomic Force Microscopy), SEM (MEB en français) = Microscopie Electronique à Balayage (Scanning Electron Microscopy), TEM (MET en français) = Microscopie Electronique à Transmission (Transmission Electron Microscopy)

[5]Club nanoMétrologie, Première Comparaison Inter-techniques et Inter-laboratoires Française pour la Caractérisation de la Taille de Nanoobjets, Spectra Analyse, n°321, Avril - Mai 2018

[6]JRC Report, Requirements on measurements for the implementation of the European Commission definition of the term 'nanomaterial', 2012

[7]ISO/TS 80004 - Nanotechnologies – Vocabulaire
[8]EDX = Spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie (Energy-Dispersive X-ray spectroscopy)

[9]Gaillard et al., A technique-driven materials categorisation scheme to support regulatory identification of nanomaterials, Nanoscale Adv., 1, 781, 2019

[10] Wohlleben et al, Reliable nanomaterial classification of powders using the volume-specific surface area method, J Nanopart Res 19:61, 2017

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