ISO/TR 12885:2008

Nanotechnologies - Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies

ISO/TR 12885:2008 describes health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies. ISO/TR 12885:2008 focuses on the occupational manufacture and use of engineered nanomaterials. It does not address health and safety issues or practices associated with nanomaterials generated by natural processes, hot processes and other standard operations which unintentionally generate nanomaterials, or potential consumer exposures or uses, though some of the information in ISO/TR 12885:2008 might be relevant to those areas. Use of the information in ISO/TR 12885:2008 could help companies, researchers, workers and other people to prevent adverse health and safety consequences during the production, handling, use and disposal of manufactured nanomaterials. This advice is broadly applicable across a range of nanomaterials and applications.

Nanotechnologies — Pratiques de sécurité dans les arrangements professionnels relatifs aux nanotechnologies

L'ISO/TR 12885:2008 décrit des pratiques en matière de santé et de sécurité au travail en rapport avec les nanotechnologies. L'ISO/TR 12885:2008 est axé sur la fabrication et l'utilisation professionnelles des nanomatériaux manufacturés. Il ne traite pas de questions ou de pratiques de santé et de sécurité associées à des nanomatériaux générés par les processus naturels, les processus à chaud et d'autres opérations qui, de façon habituelle, génèrent involontairement des nanomatériaux, ou les expositions ou utilisations potentielles du consommateur, même si certaines des informations contenues dans l'ISO/TR 12885:2008 pourraient être appropriées à ces secteurs. L'utilisation des informations contenues dans l'ISO/TR 12885:2008 pourrait aider les entreprises, les chercheurs, les travailleurs et d'autres personnes à prévenir les conséquences néfastes pour la santé et la sécurité au cours de la production, de la manipulation, de l'utilisation et de la mise au rebut des nanomatériaux manufacturés. Ces recommandations sont applicables à une vaste gamme de nanomatériaux et d'applications.

General Information

• Status: Withdrawn
• Publication Date: 29-Sep-2008
• Withdrawal Date: 29-Sep-2008
• ICS: 07.030 - Physics. Chemistry
• ICS: 07.120 - Nanotechnologies
• ICS: 13.100 - Occupational safety. Industrial hygiene
• Technical Committee: ISO/TC 229 - Nanotechnologies
• Drafting Committee: ISO/TC 229 - Nanotechnologies
• Current Stage: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Start Date: 18-Dec-2018
• Completion Date: 13-Dec-2025

Relations

• Revised: ISO/TR 12885:2018 - Nanotechnologies - Health and safety practices in occupational settings
• Effective Date: 13-Sep-2014

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 12885
First edition
2008-10-01
Nanotechnologies — Health and safety
practices in occupational settings
relevant to nanotechnologies
Nanotechnologies — Pratiques de sécurité dans les arrangements
professionnels relatifs aux nanotechnologies

Reference number
©
ISO 2008
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Fax + 41 22 749 09 47
E-mail [e-mail]
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2008 – All rights reserved

Contents
Foreword .vi

1. Introduction.1
2. Scope.2
Bibliography .2
3. Nanomaterials: description and manufacturing .3
3.1. Engineered nanomaterials .3
3.1.1. Carbon containing nanomaterials.3
3.1.2. Oxides .4
3.1.3. Metals .5
3.1.4. Quantum dots.5
3.1.5. Organic polymeric nanomaterials.5
3.1.6. Bio-inspired nanomaterials.6
3.2. Production processes.6
3.2.1. Typical production processes .6
3.2.2. Aerosol generation methods .7
3.2.3. Vapor deposition methods.7
3.2.4. Colloidal/self-assembly methods .7
3.2.5. Electrodeposition.7
3.2.6. Electro-spinning.7
3.2.7. Attrition methods .7
Bibliography.8
4. Hazard characterization.9
4.1. Health effects .9
4.1.1. Basic principles and uncertainties.10
4.1.2. Potential relevance of health effects information about incidental or naturally-occurring
nanoparticles and nanofibers.10
4.1.3. Relationship between toxicity and surface area, surface chemistry, and particle number .11
4.1.4. Inflammatory response to nanoparticles.11
4.1.5. Animal and cell-culture studies.12
4.1.6. Observations from epidemiological studies involving fine and nanoscale particles.15
4.2. Physical hazards .15
4.2.1. Fire (exothermic events).15
4.2.2. Safety considerations in manufacturing nanomaterials.16
Bibliography.16
5. Exposure assessment to nanomaterials.23
5.1. Introduction.23
5.2. Scientific framework for assessing exposure to nanomaterials.23
5.2.1. Routes of exposure.23
5.2.2. Metric for assessing exposure to airborne nanomaterials.24
iii
5.3. Review of methods for characterizing exposure to nanoparticles.26
5.3.1. General .26
5.3.2. Mass concentration.28
5.3.3. Number concentration .29
5.3.4. Surface area concentration .30
5.3.5. Nanoparticle size distribution measurement .31
5.3.6. Sample collection for material characterization .32
5.3.7. Measurement of high length : width aspect ratio particles of nanomaterials .33
5.3.8. Sampling strategy issues .34
5.4. Dermal exposure assessment.35
5.4.1. Sampling .35
5.4.2. Sample characterization .36
5.5. Dose (internal exposure) assessment.36
5.6. Discussion.37
Bibliography .37
6. Risk assessment in occupational settings .41
6.1. Introduction and scope .41
6.2. Risk assessment for nanomaterials .41
6.2.1. Quantitative and qualitative risk assessment .42
6.2.2. Hazard identification .42
6.2.3. Exposure-response assessment .43
6.2.4. Exposure assessment .45
6.2.5. Risk characterization .45
6.3. Conclusions .46
Bibliography .46
7. Control methodologies .47
7.1. Introduction .47
7.2. Implication of risk assessment in regard to control methodologies .48
7.2.1. Strategies for control .48
7.3. Examination of control methodologies .50
7.3.1. Exposure prevention.50
7.3.2. Control strategies.51
7.3.3. Eliminating the hazards through effective design.51
7.3.4. Substitution of raw materials, products, processes and equipment.51
7.3.5. Engineering control techniques .52
7.3.6. Administrative means for the control of workplace exposures .59
7.3.7. Evaluating the work environment.63
7.3.8. Personal protective equipment (PPE) .64
7.4. Health surveillance .69
7.5. Product stewardship .70
Bibliography .70

iv © ISO 2008 – All rights reserved

Appendix 7.1. Assigned protection factors (APFs) for respirators (from USACHPPM 55-011-1106).
A comparison of past and present APFs.76
Appendix 7.2. Advantages and disadvantages of different types of Air-Purifying Particulate
Respirators - using information from the U. S. NIOSH Respirator Selection Logic. .77
Annex A. Symbols and abbreviated terms .77
v
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
In exceptional circumstances, when a technical committee has collected data of a different kind from that
which is normally published as an International Standard (“state of the art”, for example), it may decide by a
simple majority vote of its participating members to publish a Technical Report. A Technical Report is entirely
informative in nature and does not have to be reviewed until the data it provides are considered to be no
longer valid or useful.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO/TR 12885 was prepared by Technical Committee ISO/TC 229, Nanotechnologies.

vi © ISO 2008 – All rights reserved

TECHNICAL REPORT ISO/TR 12885:2008(E)

1. Introduction
The field of nanotechnologies is advancing rapidly and is expected to impact virtually every facet of global
industry and society. International standardization on nanotechnologies should contribute to realizing the
potential of this technology for the betterment and sustainability of our world through economic development,
improving the quality of life, and for improving and protecting public health and the environment. One can
expect many new engineered nanomaterials coming to the market place and work place. The introduction of
these new materials into the workplace raises questions concerning occupational safety and health that
should be addressed, as appropriate, by international standards. While such standards are being developed, it
is important, through this Technical Report, to assemble and make available to users, useful knowledge on
occupational safety and health practices in the context of nanotechnologies.

i
Nanotechnology involves materials at the nanoscale. As a working definition, the “nanoscale” means size
-9
range from approximately 1 nm to 100 nm. A nanometer is 1 x 10 m or one millionth of a millimeter. It is
difficult to fully appreciate these remarkably small scales. To give a sense of this scale, a human hair is of the
order of 10,000 to 100,000 nm, a single red blood cell has a diameter of around 5,000 nm, viruses typically
have a maximum dimension of 10 to 100 nm and a DNA molecule has a diameter of around 2 nm. The term
“nanotechnology” can be misleading since it is not a single technology or scientific discipline. Rather it is a
multidisciplinary grouping of physical, chemical, biological, engineering, and electronic processes, materials,
applications and concepts in which the defining characteristic is one of size.

The distinctive and often unique properties which are observed with nanomaterials offer the promise of broad
advances for a wide range of technologies in fields as diverse as computers, biomedicine, and energy. At this
early stage the potential applications of nanomaterials seem to be limited only by the imagination. Articles
appear daily in the scientific and popular press and on a host of websites dedicated to the field. New
companies, often spin outs from university research departments, are being formed and are finding no
shortage of investors willing to back their ideas and products. New materials are being discovered or
produced and astonishing claims are being made concerning their properties, behaviors and applications. As
of June, 2007, over 400 nano-enabled new products are listed in an inventory of products already utilizing
nanotechnology compiled by the Woodrow Wilson Center's Project on Emerging Nanotechnologies
(www.nanotechproject.org/inventories/consumer/). Another list of products can also be found on U. S.
National Nanotechnology Initiative web-site at www.nano.gov/html/facts/appsprod.html. While much of the
current “hype” is highly speculative, there is no doubt that worldwide, governments and major industrial
companies are committing significant resources for research into the development of nanometer scale
processes, materials and products.

Ordinary materials such as carbon or silicon, when reduced to the nanoscale, often exhibit novel and
unexpected characteristics such as extraordinary strength, chemical reactivity, electrical conductivity, or other
characteristics that the same material does not possess at the micro or macro-scale. A huge range of
nanomaterials have already been produced including nanotubes, nanowires, fullerene derivatives (bucky
balls).
th th
A few engineered nanomaterials were developed already in the 19 and 20 centuries, at a time when the
word “nanotechnology” was unknown. Among such nanomaterials are zeolites, catalyst supports such as
MgCl , pigments and active fillers such as carbon black and synthetic amorphous silica. Market size of these
commodity materials is well above the billion US dollars or million tons threshold.

Nanotechnologies are gaining in new commercial application. Nanomaterials are currently being used in
electronic, magnetic and optoelectronic, biomedical, pharmaceutical, cosmetic, energy, catalytic and materials
applications. Areas producing the greatest revenue for nanomaterials are chemical-mechanical polishing,
magnetic recording tapes, sunscreens, automotive catalyst supports, electro-conductive coatings and optical
fibers.
i
Please note, that definitions used throughout this Technical Report are based on draft definitions developed by ISO TC
229 WG1 and might become obsolete if draft definitions change.
The occupational health and safety effects of new nanomaterials are mostly unknown. This can be attributed
to the relatively recent development of the nanotechnology sector and, as a result, the lack of available
information on human exposures and working conditions. As a consequence our abilities to accurately predict
the impact of some nanomaterials exposures on worker health are limited at this time. In particular our abilities
to measure nanoparticles in the workplace (or more generally) are limited by current technologies.
Nanotechnology presents us with new challenges as the properties of nanomaterials now depend on size and
shape as much as the more conventional factors of chemical structure and composition. Measuring these
additional attributes will be necessary to accurately assess nanomaterials in the workplace. In addition, the
capability of the human body to recognize and appropriately respond to most nanomaterials is essentially
unknown at the moment. On the other hand, in the case of some nanostructured materials, such as carbon
black and synthetic amorphous silica, toxicologic and epidemiologic data are available.

There are many gaps in current science about identifying, characterizing, and evaluating potential
occupational exposures in the nanotechnology context. These gaps in our knowledge will best be addressed
at a multidisciplinary level. Occupational health practitioners and scientists and practitioners in the toxicology
field including medical scientists and environmental scientists have vital roles to play in safeguarding health in
this fast-moving field. Collaborative studies - ideally with international coordination - are essential in order to
provide the critical information required within a reasonable time frame.

2. Scope
This Technical Report describes health and safety practices in occupational settings relevant to
nanotechnologies. The initial outline was prepared using U. S. NIOSH's Approaches to Safe Nanotechnology:
An Information Exchange with NIOSH. This Technical Report focuses on the occupational manufacture and
use of engineered nanomaterials. It does not address health and safety issues or practices associated with
nanomaterials generated by natural processes, hot processes and other standard operations which
unintentionally generate nanomaterials, or potential consumer exposures or uses, though some of the
information in this Technical Report might be relevant to those areas. For more general information on the
environment, health and safety of nanotechnologies, the reader can refer to other existing well documented
2-7
reviews. Use of the information in this Technical Report could help companies, researchers, workers and
other people to prevent adverse health and safety consequences during the production, handling, use and
disposal of manufactured nanomaterials. This advice is broadly applicable across a range of nanomaterials
and applications.
This Technical Report is based on current information about nanotechnologies, including characterization,
health effects, exposure assessments, and control practices. The authors of the Technical Report have
attempted to remain current with the use of terms and their definitions. However, definitions in this field are
evolving and some terms have not yet undergone ISO consensus review. Therefore, the terms are intended to
be used solely for the purpose of this Technical Report and not to be considered formal definitions beyond this
Technical Report. It is expected that this Technical Report will be revised and updated and new safety
standards will be developed as our knowledge increases and experience is gained in the course of
technological advance.
Bibliography
[1] U. S. NIOSH, Approaches to Safe Nanotechnology: An Information Exchange with NIOSH, 2006. Available
online at: http://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/safenano/. (Accessed on July 23, 2007).

[2] Royal Society/Royal Academy, Nanoscience and nanotechnologies: Opportunities and uncertainties, 2004.

[3] U. S. NIOSH, Strategic plan for NIOSH nanotechnology research filling the knowledge gaps, 2005.
Available on line at http://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/strat_planINTRO.html. (Accessed on July 23,
2007).
[4] ILSI, Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials:
Elements of a screening strategy, 2005.

[5] SCENIHR, Opinion on the appropriateness of existing methodologies to assess the potential risks
associated with engineered and adventitious products of nanotechnologies, 2007.

2 © ISO 2008 – All rights reserved

[6] U. S. EPA, Nanotechnology white paper, 2007. Available at http://www.epa.gov/OSA/nanotech.htm.
(Accessed on July 23, 2007).
[7] U. S. NIOSH, Progress toward safe nanotechnology in the workplace, NIOSH Publication No. 2007-123,
2007. Available on line at http://www.cdc.gov/niosh/docs/2007-123/. (Accessed on July 23, 2007).

3. Nanomaterials: description and manufacturing

3.1. Engineered nanomaterials
Engineered nanomaterials are designed with specific properties in mind. Engineered nanomaterials
encompass nano-objects and nanostructured materials. The former are defined as materials with one
(nanoplate), two (nanorod) or three external dimensions (nanoparticle) in the nanoscale (i.e. between
approximately 1 and 100 nm). Examples of nanostructured materials are nanocomposites composed of
nano-objects embedded in a solid matrix or nano-objects bonded together in simple random assemblies as in
aggregates and agglomerates or ordered as in crystals of fullerenes or carbon nanotubes. Discussion in this
Technical Report will focus primarily on nano-objects and their simple assemblies.

Relatively simple nanomaterials presently in use or under active development can be classified in terms of
dimensionality and the primary chemical composition. However, even simple nanomaterials are often coated
and have complex chemical and physical structure. Any attempt to classify nanomaterials is highly artificial
with many materials falling into several classification categories. Thus, the following description is for
organizational purposes only.
Quantum dots and fullerenes are confined to the three-dimensional nanoscale domain. Nanotubes,
nanowires, nanofibers and nanofibrils have at least two nanoscale dimensions, while nanoscale surface
coatings, thin films and layers have at least one nanoscale dimension. In the following subsections,
nanomaterials are described according to the primary (or core) chemical composition of nano-objects: carbon
containing nanomaterials (e.g. fullerenes, carbon nanotubes); oxides nanomaterials (e.g. TiO and ZnO);
metal nanomaterials (e.g. Au); semiconductor nanomaterials (e.g. quantum dots); organic polymeric

nanomaterials (e.g. dendrimers); and bio-inspired nanomaterials (e.g. capsid nanoparticles). Within these
classes, different nanomaterials are listed in the order of decreasing necessary number of dimensions in
nanoscale from 3D particles to fibers to layers.

3.1.1. Carbon containing nanomaterials

3.1.1.1. Fullerenes
Fullerenes are chemical entities which can be envisioned as spherical cages built from carbon atoms
chemically bonded to three nearest neighbors. The best known example is a soccer-ball shaped C fullerene.
Fullerene molecules can contain from 28 to more than 100 carbon atoms with some experimental studies
reporting molecules containing up to 1 500 atoms with 8.2 nm diameter. Existence of even larger fullerene
molecules has been postulated from theoretical considerations. Multi-shell fullerene-like nanoparticles
referred to as carbon nano-onions, can range in size between 4 and 36 nm. Fullerenes are actively
investigated for a wide range of potential applications including: lithium-ion batteries, solar cells, fuel cells,
oxygen and methane storage materials, additives to plastics, oil and rubber, and cancer and AIDS treatments.

3.1.1.2. Carbon black
Carbon black consists of partially amorphous material, organized into spherical or near-spherical particles
fused together to give aggregates, weakly interacting to form agglomerates, usually further organized into
macroscopic pellets. Furnace black accounts for 98 % of the worldwide production and has an average
aggregate diameter of 80-500 nm and an average primary particle size of 11-95 nm. The main industrial uses
of carbon black are as a pigment and as reinforcing filler for rubber articles, in particular, tires.

3.1.1.3. Carbon nanofibers
Carbon nanofibers (CNFs) are cylindrical or conical structures that have diameters ranging from a few to one
hundred nanometers and lengths ranging from under micrometer to several millimeters. The internal structure
is comprised of stacked curved graphite layers (or graphene sheets, see also section 3.1.1.5) that form cones
(herringbone structure), cups (bamboo structure), rods (solid structure), or tubes (hollow structure). The main
distinguishing characteristic of nanofibers from nanotubes is the stacking of graphene sheets which make a
non-zero angle with the fiber axis. When graphene sheets are parallel to the fiber axis, they form carbon
nanotubes (see next section). Since there are “in-plane” and “interplane” components of transport and
mechanical properties along the fiber axis, as well as presence of unsaturated bonds similar to graphite,
carbon nanofiber characteristics differ from those of carbon nanotubes.

Carbon nanofibers are produced during chemical vapor deposition processes from carbon rich gases such as
hydrocarbons over metal catalysts. A greater control over carbon nanofiber structure and composition can be
achieved with catalytic plasma-enhanced chemical vapor deposition. Carbon nanofibers are produced on an
industrial scale and find applications as polymer additives, gas storage materials and catalyst supports.

3.1.1.4. Carbon nanotubes
Carbon nanotubes (CNTs) represent a diverse family of carbon-based materials based on a graphene sheet
rolled up in the form of a tube. CNTs can be made up of one sheet (Single-Walled) or several sheets (Multi-
Walled). Single-walled CNT can be open- or closed-ended depending on whether they are capped with
fullerene halves at each end. Carbon nanotubes can have a diameter as small 0.4 nm and reach several
10,11 12
centimeters in length. Multi-walled form can reach 100 nm in diameter.

Single-walled carbon nanotubes display metallic or semiconductive properties depending on how the
graphene sheet is rolled up, and their electronic response can be tuned using elemental subsitution. Carbon
nanotubes have been predicted to be as much as sixty times stronger than steel and six times lighter. They
are considered excellent heat conductors, have a great capacity for molecular absorption and are chemically
and thermally very stable.
Applications which are currently being investigated include; polymer composites, electromagnetic shielding,
electron field emitters, super capacitors, batteries, hydrogen storage and structural composites. Main
synthesis methods for carbon nanotubes fall into two classes: those in which elemental carbon is vaporized
typically by a laser or an electric arc and those in which the carbon is derived at lower temperature from a
carbon source usually assisted by a catalyst or plasma.

Commercial manufacturing and supply of carbon nanotubes at a large-scale production rate appears to be
taking place in a number of countries.

3.1.1.5. Graphene nanosheet
Graphene sheet is a single layer of graphite structure which can be described as a hexagonal network of
carbon atoms bonded to three nearest neighbors. Microscopic roughening through out-of-plane deformations
makes graphene sheet effective thickness of about 1 nm. Graphene was shown to possess unique electronic,
magnetic, optical and mechanic properties and might find applications in flat flexible electronic devices and
coatings. Micromechanical cleavage is presently the main method used to prepare this material.

3.1.2. Oxides
Metal oxide nanostructured materials in the form of agglomerated and aggregated nanoparticles are used
mostly as paint and sunscreen additives and often coated to achieve desired properties. Main production
methods are spray pyrolysis, laser ablation and solution phase synthesis.

Metal oxide nano-objects can be grown with a variety of simple shapes such as nanorod, nanotubes,
nanoflakes, and more complex structures such as nanobrushes, nanosprings, and nanobelts. These
nanostructures exhibit unique electronic properties and can find novel applications in optoelectronics, sensors,
transducers, and medicines.
4 © ISO 2008 – All rights reserved

Synthetic amorphous silica can be manufactured as a nanostructured material via gas-phase synthesis or wet
chemical processes, such as precipitation or sol-gel process. The nanostructured material consists of primary
particles within a range of 5-10 nm forming hard aggregates (1-40 µm). Primary particles do not exist as
individual units; aggregation and agglomeration are predominant in particle formation and growth. Synthetic
amorphous silica is currently used in a wide variety of industrial applications. Most of them are related to the
reinforcement of various elastomers, the thickening of various liquid systems, the free-flow of powders or as a
20,21
constituent of matting, absorbents and heat insulation material.

3.1.3. Metals
Gold nanoparticles are one of the most extensively studied. Gold nanoparticles are characterized by a
prominent optical resonance in the visible range, which is sensitive to environmental changes, size, and shape
of the particles as well as to local optical interactions in resonant systems. This unique property of gold
nanoparticles is utilized in a number of applications such as optical markers and as thermal targeted cancer
treatment agent in medicine. Silver nanoparticles are produced in largest volumes among metal nanoparticles
and used in numerous applications ranging from wound dressings to washing-machine disinfectant for its anti-
microbial activity.
Metal nanoparticles with well-defined size and shape can be synthesized using metal reduction from a
solution phase.
Metal nanowires such as cobalt, gold and copper-based can be conductive or semiconductive and could be
used as interconnectors for the transport of electrons in nanoelectronic devices. Nanowires are typically
manufactured by involving a template followed by the deposition of a vapor to fill the template and grow the
nanowire. Deposition processes currently include Electrochemical Deposition and Chemical Vapor
Deposition. The template might be formed by various processes including etching, or the use of other
nanomaterials such as nanotubes.

3.1.4. Quantum dots
Spherical nanocrystals from 1 to 10 nm in diameter composed of semiconductor materials often possess
unique optical properties due to quantum effects, hence they are often called quantum dots. The number of
atoms in quantum dots makes them neither an extended solid structure nor a molecular entity. The light
emitted can be adjusted to the desired wavelength by changing the overall dimension.

Quantum dots are used, among other purposes, as fluorescent probes in diagnostic medical imaging and in
therapeutics; they are used for these purposes due to their optical properties and our ability to coat and modify
their surfaces with peptides, antibodies, nucleic acids and other biologically important molecules.

Currently, chemistry, physics and material science have provided methods for the production of quantum dots
and are allowing tighter control on factors such as particle growth and size, solubility and emission properties.
The most common method to produce quantum dots is by wet chemical colloidal processes.

3.1.5. Organic polymeric nanomaterials

3.1.5.1. Dendrimers
Dendrimers are a new class of controlled-structure multi-branched polymers with nanoscale dimensions. They
allow precise, atomic-level control of the synthesis of nanostructures according to the desired dimensions,
shape and surface chemistry. They can display both hydrophilic and hydrophobic characteristics and can
accommodate a wide variety of functional groups for medical applications. They are expected to be used in
the medical and biomedical field. Most syntheses of dendrimers involve the repetitious alternation of a
growth reaction and an activation reaction such as the more traditional Michael reaction, or the Williamson
ether synthesis, and more modern solid-phase synthesis, organo-metallic chemistry, organo-silicon chemistry,
and organo-phosphorus chemistry.

3.1.5.2. Fibers
Nanofibers can be made of a wide variety of polymeric materials. The main manufacturing techniques are
electrospinning and gas-blowing. These techniques allow for great flexibility in controlling chemical
composition and physical parameters such as fiber diameter and length. Nanofiber scaffolds can be used in a
number of applications such as sensors and ultrafiltration devices for liquid and gas phase. Biodegradable
polymer nanofibers can find numerous applications in medicine as scaffolds for tissue engineering, in
controlled drug release, wound dressings, molecular separation, and bone restoration.

3.1.6. Bio-inspired nanomaterials

Bio-inspired nanomaterials are generally materials in which a biological substance is trapped, encapsulated or
adsorbed on the surface. They include a wide range of engineered assemblies of biological building blocks
such as lipids, peptides and polysaccharides utilized as carriers for drugs, receptors, nucleic acids and

imaging agents. Examples are polymeric micelles, protein cage architectures, viral-derived capsid
nanoparticles, polyplexes, and liposomes used in transport and optimal targeting of drugs. A number of
formulations are under development for drug delivery via gastrointestinal and inhalation routes and skin
applications.
Micelles are formed in solution as aggregates in which amphiphilic molecules are arranged in a spheroidal

structure with hydrophobic cores shielded from the water by a mantle of hydrophilic groups. These dynamic

systems, which are usually below 50 nm in diameter, are used for the systemic delivery of water-insoluble

drugs. Drugs or contrast agents might be trapped physically within the hydrophobic cores or can be linked
covalently to component molecules of the micelle.

Liposomes are closed lipid bilayer vesicles that form by hydration of dry phospholipids. Drug molecules can be

either entrapped in the aqueous space or intercalated into the lipid bilayer of liposomes, depending on the

physicochemical characteristics of the drug. The liposome surface is amenable to modification with targeting
ligands and polymers.
Polyplexes are assemblies, which form spontaneously between nucleic acids and polycations or cationic

liposomes (or polycations conjugated to targeting ligands or hydrophilic polymers), and are used in

transfection protocols. The shape, size distribution, and transfection capability of these complexes depends on

their composition and charge ratio of nucleic acid to that of cationic lipid/polymer. Examples of polycations that

have been used in gene transfer/therapy protocols include poly-L-lysine, linear- and branched-
poly(ethylenimine), poly(amidoamine), poly-ß-amino esters, and cationic cyclodextrin.

Protein cage architectures and viral-derived capsid nanoparticles are formed by self-assembly of certain
proteins.
Building blocks of bio-inspired nanomaterials can be obtained from natural materials and using synthetic
microbiology techniques, while self-assembly often takes place in a liquid phase.

3.2. Production processes
3.2.1. Typical production processes
Methods typically used for the manufacturing of nanomaterials are:

• Aerosol generation such as flame pyrolysis, high temperature evaporation and plasma synthesis;
• Vapor deposition;
• Liquid phase methods: colloidal, self-assembly, sol-gel;
• Electropolymerization and electrodeposition;
• Electro-spinning for polymer nanofiber synthesis;
• Mechanical processes including grinding, milling and alloying.

6 © ISO 2008 – All rights reserved

3.2.2. Aerosol generation methods
The aerosol generation method is used to produce a wide range of nanomaterials. This method is based on
homogeneous nucleation of a supersaturated vapor and subsequent particle growth by condensation,
coagulation and capture. The formation of vapor typically occurs within an aerosol reactor at elevated
temperatures where often a super saturate of a solid is cooled into a background of gas. The methods used to
produce nanomaterials are usually categorized by the heating or evaporation process and include:

• Flame pyrolysis
• Furnace/hot wall reactors
• Laser induced pyrolysis
3.2.3. Vapor deposition methods

These methods are traditionally based on already well known and established methods for the manufacture of
semiconductors. Here, vapor is formed in a reaction chamber by pyrolysis, reduction, oxidation and nitridation.
The first step is the deposition of a few atoms. These first atoms form islands which spread and coalesce into
a continuous film. Later, growth continues until thicker film develops.

These methods have been used to produce nanofilms including TiO , ZnO and SiC. Vapour deposition
processes mediated by a catalyst are used to produce carbon nanotubes commercially.

3.2.4. Colloidal/self-assembly methods

The colloidal methods are also well established conventional wet chemistry precipitation processes in which
solutions of different ions at required concentrations are mixed under controlled conditions of temperature and
pressure which form insoluble precipitates.

Recently, a rapidly expanding sub-set of colloidal methods called sonochemistry methods, where acoustic
cavitation is used to control the process. Here molecular precursors undergo chemical reactions because of
the application of ultrasound radiation. It is the creation, growth and rapid collapse of a bubble that is formed
in the liquid which is the main event. In this process, high temperatures and high cooling rates accompany the
collapse of the bubble and nucleation centers formed whose growth is limited by the rapid collapse.

Chalcogenides, metals and alloys including gold, cobalt and nickel as well as carbon and titania nanotubes
have been produced using this method.

3.2.5. Electrodeposition
Polyme
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 12885
Première édition
2008-10-01
Nanotechnologies — Pratiques de
sécurité dans les arrangements
professionnels relatifs aux
nanotechnologies
Nanotechnologies — Health and safety practices in occupational
settings relevant to nanotechnologies

Numéro de référence
©
ISO 2008
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Version française parue en 2013
Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos . v
1 Introduction . 1
2 Domaine d'application . 2
Bibliographie . 3
3 Nanomatériaux: description et fabrication . 3
3.1 Nanomatériaux manufacturés . 3
3.1.1 Nanomatériaux contenant du carbone . 4
3.1.2 Oxydes . 5
3.1.3 Métaux . 5
3.1.4 Points quantiques . 6
3.1.5 Nanomatériaux polymères organiques . 6
3.1.6 Nanomatériaux bio-inspirés . 6
3.2 Procédés de production . 7
3.2.1 Procédés classiques de production . 7
3.2.2 Méthodes par génération d'aérosol . 7
3.2.3 Méthodes de dépôt en phase vapeur . 8
3.2.4 Méthodes colloïdales/auto-assemblage . 8
3.2.5 Electrodéposition . 8
3.2.6 Electrofilage . 8
3.2.7 Méthodes d'attrition . 8
Bibliographie . 9
4 Caractérisation des dangers . 10
4.1 Effets sur la santé . 10
4.1.1 Principes de base et incertitudes . 11
4.1.2 Pertinence potentielle des informations relatives aux effets sur la santé des
nanoparticules et des nanofibres, incidentes ou naturelles . 11
4.1.3 Relation entre toxicité et surface, chimie de surface et nombre de particules . 12
4.1.4 Réaction inflammatoire aux nanoparticules . 12
4.1.5 Études sur l'animal et sur des cultures cellulaires . 13
4.1.6 Observations issues d'études épidémiologiques impliquant des particules fines et des
nanoparticules . 16
4.2 Dangers physiques . 17
4.2.1 Incendie (événements exothermiques) . 17
4.2.2 Considérations de sécurité dans la fabrication des nanomatériaux . 17
Bibliographie . 18
5 Évaluation de l'exposition aux nanomatériaux . 25
5.1 Introduction . 25
5.2 Cadre scientifique pour l'évaluation de l'exposition aux nanomatériaux . 25
5.2.1 Voies d'exposition . 25
5.2.2 Métrique pour l'évaluation de l'exposition aux nanomatériaux en suspension dans l'air . 26
5.3 Revue des méthodes permettant de caractériser l'exposition aux nanoparticules . 28
5.3.1 Généralités . 28
5.3.2 Concentration massique. 31
5.3.3 Concentration numérique . 32
5.3.4 Concentration surfacique . 32
5.3.5 Mesurage de la distribution granulométrique des nanoparticules . 33
5.3.6 Collecte d'échantillons pour la caractérisation du matériau . 36
5.3.7 Mesure de particules de nanomatériaux ayant un facteur de forme longueur:largeur élevé . 36
5.3.8 Questions relatives à la stratégie de prélèvement . 38
5.4 Évaluation de l'exposition cutanée . 39
5.4.1 Échantillonnage .39
5.4.2 Caractérisation de l'échantillon .40
5.5 Évaluation de la dose (exposition interne) .40
5.6 Discussion .40
Bibliographie .41
6 Évaluation du risque dans les milieux professionnels .45
6.1 Introduction et domaine d'application .45
6.2 Évaluation du risque des nanomatériaux .45
6.2.1 Évaluation quantitative et qualitative du risque .46
6.2.2 Identification des dangers .46
6.2.3 Évaluation de la relation exposition-réponse .47
6.2.4 Évaluation de l'exposition .49
6.2.5 Caractérisation du risque .50
6.3 Conclusions .50
Bibliographie .50
7 Méthodologies de contrôle .52
7.1 Introduction .52
7.2 Implication de l'évaluation du risque en ce qui concerne les méthodologies de contrôle .53
7.2.1 Stratégies de contrôle .53
7.3 Examen des méthodologies de contrôle .55
7.3.1 Prévention des expositions .55
7.3.2 Stratégies de contrôle .56
7.3.3 Suppression des dangers par une conception efficace .56
7.3.4 Substitution de matières premières, de produits, de procédés et d'équipements .57
7.3.5 Mesures d'ingénierie .58
7.3.6 Moyens administratifs de contrôle des expositions sur les lieux de travail .66
7.3.7 Évaluation de l'environnement de travail .71
7.3.8 Équipement de protection individuelle (PPE) .72
7.4 Surveillance médicale .78
7.5 Gestion des produits .79
Bibliographie .79
Annexe 7.1. Facteurs de protection caractéristiques (APF) des appareils de protection
respiratoire (d'après l'USACHPPM 55-011-1106) - Comparaison des APF passés et
présents. .85
Annexe 7.2. Avantages et inconvénients de différents types d'appareils de protection respiratoire
contre les particules à épuration d'air - sur la base des informations fournies dans le
document "Respirator Selection Logic" du NIOSH aux Etats-Unis. .86
Annexe A. Symboles et abréviations .87

iv © ISO 2008 – Tous droits réservés

Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont
normalement publiées comme Normes internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l'état
de la technique par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport
technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement
être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO/TR 12885 a été élaboré par le comité technique ISO/TC 229, Nanotechnologies.
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 12885:2008(F)

Nanotechnologies — Pratiques de sécurité dans les
arrangements professionnels relatifs aux nanotechnologies
1 Introduction
Le domaine des nanotechnologies est en progression rapide et il est censé avoir globalement un impact sur
pratiquement chaque aspect de l'industrie et de la société. Il convient que la normalisation internationale
relative aux nanotechnologies contribue au développement des possibilités de cette technologie pour
l'amélioration et la durabilité de notre monde par le développement économique, en améliorant la qualité de
vie, et pour l'amélioration et la protection de la santé publique et de l'environnement. On peut s'attendre à ce
que de nombreux nanomatériaux manufacturés arrivent sur le marché et sur le lieu de travail. L'introduction
de ces nouveaux matériaux sur les lieux de travail soulève des questions concernant la sécurité et la santé au
travail qu'il convient de traiter, le cas échéant, par des normes internationales. En attendant que de telles
normes soient établies, il est important, par ce Rapport technique, de réunir et de mettre à la disposition des
utilisateurs les connaissances utiles concernant les pratiques de sécurité et d'hygiène au travail dans le
domaine des nanotechnologies.
La nanotechnologie met en œuvre des matériaux à l'échelle nanométrique. Comme définition de travaili
«échelle nanométrique» signifie une échelle de dimension allant approximativement de 1 nm à 100 nm. Un
-9
nanomètre est 1 x 10 m ou un millionième d'un millimètre. Il est difficile d'apprécier pleinement ces échelles
remarquablement petites. Pour donner un sens à cette échelle, un cheveu humain est de l'ordre de
10 000 nm à 100 000 nm, un globule rouge a un diamètre d'environ 5 000 nm, les virus ont typiquement une
dimension maximale de 10 nm à 100 nm et une molécule DNA a un diamètre d’environ 2 nm. Le terme
«nanotechnologie» peut être trompeur, car il ne s'agit pas d'une seule technologie ou d'une seule discipline
scientifique. Il s'agit plutôt d'un regroupement multidisciplinaire de processus, de matériaux et de concepts de
physique, de chimie, de biologie, d'ingénierie et d'électronique dans lesquels la caractéristique déterminante
est celle de la taille.
Les propriétés particulières et souvent uniques observées avec les nanomatériaux font anticiper des
avancées majeures dans un large éventail de technologies, dans des domaines aussi divers que les
ordinateurs, la biomédecine et l'énergie. Au stade précoce où nous en sommes, les applications potentielles
des nanomatériaux ne semblent limitées que par notre imagination. Des articles paraissent quotidiennement
dans la presse scientifique et grand public et sur un grand nombre de sites web consacrés à ce domaine. De
nouvelles entreprises, souvent issues de départements de recherche universitaire, se créent et ne manquent
pas d'investisseurs qui veulent soutenir leurs idées et leurs produits. De nouveaux matériaux sont découverts
ou produits, pour lesquels on fait des annonces étonnantes concernant leurs propriétés, leurs comportements
et leurs applications. Depuis juin 2007, plus de 400 nouveaux produits nano-améliorés ont été recensés dans
un inventaire des produits utilisant déjà la nanotechnologie, mis à jour par le Woodrow Wilson Center's
Project on Emerging Nanotechnologies (projet du Centre Woodrow Wilson sur les Nanotechnologies
émergentes) (www.nanotechproject.org/inventories/consumer/). Une autre liste de produits peut également
être consultée sur le site web de la National Nanotechnology Initiative aux Etats-Unis à
l'adresse www.nano.gov/html/facts/appsprod.html. Bien que cet «engouement» actuel soit en grande partie
fortement spéculatif, il ne fait aucun doute que, dans le monde entier, les gouvernements et les grandes
entreprises industrielles engagent des ressources considérables pour la recherche dans le développement de
procédés, de matériaux et de produits à l'échelle nanométrique.
Des matériaux ordinaires tels que le carbone ou le silicium, une fois réduits à l'échelle nanométrique,
présentent souvent des caractéristiques nouvelles et inattendues telles que des degrés exceptionnels de

i
Noter que les définitions utilisées tout au long du présent Rapport technique sont fondées sur le projet de définitions
élaboré par l'ISO TC 229 GT1 et pourraient devenir obsolètes si le projet de définitions évolue.
résistance, de réactivité chimique, de conductivité électrique ou bien d'autres caractéristiques que le même
matériau ne possède pas à l'échelle micrométrique ou macrométrique. Une énorme gamme de
nanomatériaux a déjà été produite comprenant, notamment, les nanotubes, les nanofils, les dérivés du
fullerène (buckyballs ou boules bucky).
ème ème
Un petit nombre de nanomatériaux manufacturés ont déjà été développés aux 19 et 20 siècles, à une
époque où le mot «nanotechnologie» était inconnu. Parmi ces nanomatériaux, citons les zéolites, les supports
de catalyseurs tels que MgCl , les pigments et les charges actives telles que le noir de carbone et la silice
amorphe synthétique. La taille du marché de ces matériaux de base dépasse largement le seuil du milliard de
dollars américains ou le million de tonnes.
Les nanotechnologies gagnent de nouvelles applications commerciales. Les nanomatériaux sont actuellement
utilisés dans des applications électroniques, magnétiques et optoélectroniques, biomédicales,
pharmaceutiques, cosmétiques, énergétiques, catalytiques et dans des applications dans le domaine des
matériaux. Les secteurs produisant le plus grand revenu pour des nanomatériaux sont le polissage
mécanochimique, les bandes d'enregistrement magnétique, les écrans solaires, les supports catalytiques
dans l'automobile, les revêtements conducteurs électriques et les fibres optiques.
Les effets sur la santé et la sécurité au travail des nouveaux nanomatériaux sont pour la plupart inconnus.
Cela peut être attribué au caractère relativement récent du développement du secteur des nanotechnologies
et, en conséquence, au manque d'informations disponibles sur les expositions humaines et les conditions de
travail. Par conséquent, notre capacité à prévoir exactement l'impact sur la santé des travailleurs de
l'exposition à certains nanomatériaux est actuellement limitée. En particulier, nos aptitudes à mesurer les
nanoparticules sur les lieux de travail (ou plus généralement) sont limitées par les technologies actuelles. La
nanotechnologie nous confronte à de nouveaux défis, car les propriétés des nanomatériaux dépendent
maintenant autant de la taille et de la forme que des facteurs plus conventionnels que sont les structures et
compositions chimiques. Il sera nécessaire de mesurer ces caractéristiques supplémentaires afin d'évaluer de
façon précise les nanomatériaux sur les lieux de travail. De plus, la capacité du corps humain à reconnaître et
à réagir de façon appropriée à la plupart des nanomatériaux est fondamentalement inconnue à l'heure
actuelle. En revanche, dans le cas de certains matériaux nanostructurés, tels que le noir de carbone et la
silice amorphe synthétique, des données toxicologiques et épidémiologiques sont disponibles.
La science actuelle présente un grand nombre de lacunes quant à l'identification, la caractérisation et
l'évaluation des expositions potentielles sur les lieux de travail dans le contexte des nanotechnologies. C’est à
un niveau pluridisciplinaire que ces lacunes de connaissances seront le mieux traitées. Les praticiens et les
scientifiques de la santé au travail, ainsi que les praticiens dans le domaine de la toxicologie, y compris les
scientifiques dans les domaines de la médecine et de l'environnement, ont un rôle vital à jouer pour préserver
la santé dans ce domaine qui évolue si vite. Des études en collaboration - idéalement avec une coordination
internationale - sont essentielles pour obtenir les informations critiques requises dans un délai raisonnable.
2 Domaine d'application
Le présent Rapport technique décrit des pratiques en matière de santé et de sécurité au travail en rapport
avec les nanotechnologies. Les grandes lignes initiales ont été établies sur la base du document "Approaches
to Safe Nanotechnology: An Information Exchange with NIOSH" publié par le NIOSH aux Etats-Unis. Le
présent Rapport technique est axé sur la fabrication et l'utilisation professionnelles des nanomatériaux
manufacturés. Il ne traite pas de questions ou de pratiques de santé et de sécurité associées à des
nanomatériaux générés par les processus naturels, les processus à chaud et d'autres opérations qui, de
façon habituelle, génèrent involontairement des nanomatériaux, ou les expositions ou utilisations potentielles
du consommateur, même si certaines des informations contenues dans le présent Rapport technique
pourraient être appropriées à ces secteurs. Pour des informations plus générales sur l'environnement, la
santé et la sécurité des nanotechnologies, le lecteur peut se référer à d'autres revues existantes bien
2-7
documentées. L'utilisation des informations contenues dans le présent Rapport technique pourrait aider les
entreprises, les chercheurs, les travailleurs et d'autres personnes à prévenir les conséquences néfastes pour
la santé et la sécurité au cours de la production, de la manipulation, de l'utilisation et de la mise au rebut des
nanomatériaux manufacturés. Ces recommandations sont applicables à une vaste gamme de nanomatériaux
et d'applications.
Le présent Rapport technique est fondé sur les informations actuelles relatives aux nanotechnologies, y
compris la caractérisation, les effets sur la santé, les évaluations de l'exposition et les pratiques de
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prévention. Les auteurs du Rapport technique ont tenté de se tenir à jour quant à l'utilisation des termes et de
leurs définitions. Cependant, les définitions dans ce domaine évoluent et certains termes n'ont pas encore
subi la revue de consensus de l'ISO. Par conséquent, les termes sont censés être utilisés seulement pour les
besoins du présent Rapport technique et ne pas être considérés comme étant des définitions formelles
au-delà du présent Rapport technique. Le présent Rapport technique est censé être révisé et mis à jour et de
nouvelles normes relatives à la sécurité seront élaborées à mesure que nos connaissances augmenteront et
que l'expérience sera acquise au fil des avancées technologiques.
Bibliographie
[1] U. S. NIOSH, Approaches to Safe Nanotechnology: An Information Exchange with NIOSH, 2006. Available
online at: http://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/safenano/. (Accessed on July 23, 2007).
[2] Royal Society/Royal Academy, Nanoscience and nanotechnologies: Opportunities and uncertainties, 2004.
[3] U. S. NIOSH, Strategic plan for NIOSH nanotechnology research filling the knowledge gaps, 2005.
Available on line at http://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/strat_planINTRO.html. (Accessed on July 23,
2007).
[4] ILSI, Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials:
Elements of a screening strategy, 2005.
[5] SCENIHR, Opinion on the appropriateness of existing methodologies to assess the potential risks
associated with engineered and adventitious products of nanotechnologies, 2007.
[6] U. S. EPA, Nanotechnology white paper, 2007. Available at http://www.epa.gov/OSA/nanotech.htm.
(Accessed on July 23, 2007).
[7] U. S. NIOSH, Progress toward safe nanotechnology in the workplace, NIOSH Publication No. 2007-123,
2007. Available on line at http://www.cdc.gov/niosh/docs/2007-123/. (Accessed on July 23, 2007).
3 Nanomatériaux: description et fabrication
3.1 Nanomatériaux manufacturés
Les nanomatériaux manufacturés sont conçus en ayant à l'esprit des propriétés spécifiques. Les
nanomatériaux manufacturés comprennent les nano-objets et les matériaux nanostructurés. Les premiers
sont définis comme étant des matériaux avec une seule (nanoplaque), deux (nanotige) ou trois dimensions
extérieures (nanoparticule) dans l'échelle nanométrique (à savoir entre approximativement 1 nm et 100 nm).
Des exemples de matériaux nanostructurés sont les nanocomposites composés de nano-objets intégrés dans
une matrice pleine ou de nano-objets liés ensemble dans des ensembles aléatoires simples tels que les
agrégats et les agglomérats ou ordonnés tels que les cristaux de fullerènes ou les nanotubes de carbone.
Dans le présent Rapport technique, la discussion se focalisera principalement sur les nano-objets et leurs
ensembles simples.
Les nanomatériaux relativement simples actuellement utilisés ou en cours de développement actif peuvent
être classés en termes de dimensionnalité et de composition chimique élémentaire. Cependant, même les
nanomatériaux simples ont souvent un revêtement de surface et ont une structure chimique et physique
complexe. Toute tentative de classer les nanomatériaux est fortement artificielle, de nombreux matériaux
s'inscrivant dans plusieurs catégories de classification. Par conséquent, la description ci-après est donnée
uniquement pour des raisons d'organisation.
Les points quantiques et les fullerènes ont leurs trois dimensions à l'échelle nanométrique. Les nanotubes, les
nanofils, les nanofibres et les nanofibrilles ont au moins deux dimensions à l'échelle nanométrique, alors que
les revêtements de surface, les couches minces et les couches à l'échelle nanométrique ont au moins une
dimension à l'échelle nanométrique. Dans les sous-paragraphes ci-après, les nanomatériaux sont décrits
selon la composition chimique principale (ou centrale) des nano-objets: les nanomatériaux contenant du
carbone (par exemple fullerènes, nanotubes de carbone); les nanomatériaux oxydes (par exemple TiO et
ZnO); les nanomatériaux métalliques (par exemple Au); les nanomatériaux semiconducteurs (par exemple
points quantiques); les nanomatériaux polymères organiques (par exemple dendrimères); et les
nanomatériaux bio-inspirés (par exemple nanoparticules capsides). Au sein de ces classes, différents
nanomatériaux sont énumérés dans l'ordre décroissant du nombre de dimensions à l'échelle nanométrique,
des particules 3D aux fibres et aux couches.
3.1.1 Nanomatériaux contenant du carbone
3.1.1.1 Fullerènes
Les fullerènes sont des entités chimiques que l'on peut se représenter comme des cages sphériques
construites à partir d'atomes de carbone chimiquement liés à leurs trois plus proches voisins. L'exemple le
plus connu est le fullerène C en forme de ballon de football. Les molécules de fullerène peuvent contenir de
28 à plus de 100 atomes de carbone, certaines études expérimentales rapportant même des molécules
contenant jusqu'à 1 500 atomes et de 8,2 nm de diamètre. L'existence de molécules de fullerène encore plus
grosses a été postulée à partir de considérations théoriques. Des nanoparticules semblables aux fullerènes,
à plusieurs coques, appelées nano-oignons de carbone, peuvent avoir une taille variant entre 4 nm et 36 nm.
Les fullerènes font l'objet d'études actives à la recherche d'un large éventail d'applications potentielles, parmi
lesquelles: batteries au lithium, piles solaires, piles à combustible, matériaux de stockage d'oxygène et de
méthane, additifs aux plastiques, pétrole et caoutchouc, et traitement de cancers et du SIDA.
3.1.1.2 Noir de carbone
Le noir de carbone est constitué d'un matériau partiellement amorphe, organisé en particules sphériques ou
quasi sphériques fusionnées ensemble pour donner des agrégats qui interagissent faiblement pour former
des agglomérats, eux-mêmes habituellement organisés en granulés macroscopiques. Le noir de fourneau
représente 98 % de la production mondiale et a un diamètre moyen d'agrégat de 80 nm à 500 nm et une taille
moyenne de particules primaires de 11 nm à 95 nm. A l'échelle industrielle, le noir de carbone est
principalement utilisé comme pigment et comme charge renforçante pour articles en caoutchouc, en
particulier les pneus.
3.1.1.3 Nanofibres de carbone
Les nanofibres de carbone (CNF) sont des structures cylindriques ou coniques qui ont des diamètres allant de
quelques nanomètres à cent nanomètres et des longueurs allant de valeurs submicroniques à plusieurs
millimètres. La structure interne est composée d'un empilement de couches de graphite incurvées (ou feuilles
de graphène, voir également 3.1.1.5) qui forment des cônes (structure en chevrons), des coupes (structure de
bambou), des tiges (structure pleine) ou des tubes (structure creuse). La principale caractéristique qui
distingue les nanofibres des nanotubes est l'empilement des feuilles de graphène qui forment un angle non
nul avec l'axe de la fibre. Lorsque les feuilles de graphène sont parallèles à l'axe de la fibre, elles forment des
nanotubes de carbone (voir le paragraphe suivant). Sachant qu'il existe des composantes «dans le plan» et
«entre plans» des propriétés de transport et mécaniques le long de l'axe de la fibre, ainsi que la présence de
liaisons insaturées semblables au graphite, les caractéristiques des nanofibres de carbone diffèrent de celles
des nanotubes de carbone.
Les nanofibres de carbone sont produites par des procédés de dépôt chimique en phase vapeur sur des
catalyseurs métalliques, à partir de gaz riches en carbone tels que les hydrocarbures. Une plus grande
maîtrise de la structure et de la composition des nanofibres de carbone peut être obtenue avec le dépôt
chimique en phase vapeur assisté par plasma catalytique. Les nanofibres de carbones sont produites à
l'échelle industrielle et trouvent des applications comme additifs dans les polymères, comme matériaux de
stockage de gaz et comme supports catalytiques.
3.1.1.4 Nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone (CNT) représentent une famille diverse de matériaux en carbone obtenus à partir
d'une feuille de graphène enroulée sous la forme d'un tube. Les CNT peuvent être constitués d'une seule
feuille (à simple paroi) ou de plusieurs feuilles (multi-parois). Le CNT à simple paroi peut être à extrémité
ouverte ou fermée, selon qu'il est fermé ou non par deux moitiés de fullerène à chaque extrémité. Les
nanotubes de carbone peuvent avoir un diamètre aussi petit que 0,4 nm et atteindre une longueur de
10,11 12
plusieurs centimètres. La forme multi-parois peut atteindre un diamètre de 100 nm.
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Les nanotubes de carbone à simple paroi affichent des propriétés métalliques ou semiconductrices selon la
manière dont la feuille de graphène est enroulée, et leur réponse électronique peut être finement réglée en
utilisant la substitution d'éléments. Les nanotubes de carbone auront, selon les prédictions, une résistance
pouvant atteindre soixante fois celle de l'acier et un poids six fois plus léger. Ils sont considérés comme
étant d'excellents conducteurs de chaleur, ont une grande capacité d'absorption moléculaire et ont une très
grande stabilité chimique et thermique.
Les applications actuellement explorées sont notamment: les composites polymères, le blindage
électromagnétique, les émetteurs de champ d'électrons, les supercondensateurs, les accumulateurs, le
stockage d'hydrogène et les composés structuraux. Les principales méthodes de synthèse de nanotubes de
carbone s'inscrivent dans deux classes: celles dans lesquelles le carbone élémentaire est vaporisé,
typiquement par un laser ou un arc électrique, et celles dans lesquelles, à température plus basse, le carbone
provient d'une source de carbone, habituellement à l'aide d'un catalyseur ou d'un plasma.
La fabrication commerciale et la fourniture de nanotubes de carbone à l'échelle industrielle semblent se
mettre en place dans un certain nombre de pays.
3.1.1.5 Nanofeuille de graphène
La feuille de graphène est une structure à couche unique de graphite qui peut être décrite comme un réseau
hexagonal d'atomes de carbone liés à leurs trois voisins les plus proches. La rugosification microscopique par
l'intermédiaire de déformations hors plan donne à la feuille de graphène une épaisseur réelle d'environ 1 nm.
Il est apparu que le graphène possédait des propriétés uniques, électroniques, magnétiques, optiques et
mécaniques et qu'il pourrait trouver des applications pour des dispositifs électroniques fins et flexibles et des
revêtements de surface. Le clivage micromécanique est actuellement la principale méthode utilisée pour
préparer ce matériau.
3.1.2 Oxydes
Les matériaux nanostructurés d'oxydes métalliques, sous forme de nanoparticules agglomérées et agrégées,
sont surtout utilisés comme additifs dans les peintures et les écrans solaires et sont souvent revêtus pour
obtenir les propriétés souhaitées. Les principales méthodes de production sont la pyrolyse par pulvérisation,
l'ablation par laser et la synthèse en phase liquide.
Les nano-objets oxydes métalliques peuvent être synthétisés dans une variété de formes simples telles que
les nanotiges, les nanotubes, les nanoflocons, et de structures plus complexes telles que des nanobalais,
des nanoressorts, et des nanocourroies. Ces nanostructures présentent des propriétés électroniques
uniques et peuvent trouver de nouvelles applications dans l'optoélectronique, les capteurs, les transducteurs,
et les médicaments.
La silice amorphe synthétique peut être fabriquée sous la forme d'un matériau nanostructuré par synthèse en
phase gazeuse ou par des procédés chimiques humides, tels que la précipitation ou le procédé sol-gel. Le
matériau nanostructuré est constitué de particules primaires dans une plage de 5 nm à 10 nm formant des
agrégats durs (1 µm à 40 µm). Les particules primaires n'existent pas sous forme d'unités individuelles;
l'agrégation et l'agglomération sont prédominantes dans la formation et la croissance des particules. La silice
amorphe synthétique est actuellement utilisée dans une grande variété d'applications industrielles. La plupart
d'entre elles sont liées au renforcement de divers élastomères, à l'épaississement de divers systèmes
liquides, au libre écoulement de poudres ou comme constituant de matériau de matité, d'absorbants et de
20,21
matériau d'isolation thermique.
3.1.3 Métaux
Les nanoparticules d'or sont parmi les plus étudiées. Les nanoparticules d'or se caractérisent par une
résonance optique remarquable dans le domaine visible, qui est sensible aux variations environnementales, à
la taille et à la forme des particules ainsi qu'aux interactions optiques locales dans les systèmes résonants.
Cette propriété unique des nanoparticules d'or est utilisée dans de nombreuses applications telles que les
marqueurs optiques et comme agent thermique de traitement ciblé du cancer en médecine. Parmi les
particules métalliques, les nanoparticules d'argent sont celles produites en plus grands volumes et sont
utilisées pour leur activité antimicrobienne dans de nombreuses applications allant des pansements aux
désinfectants pour machine à laver.
Les nanoparticules de métaux ayant une forme et une taille bien définies peuvent être synthétisées en
utilisant la réduction de métal à partir d'une phase soluble.
Les nanofils métalliques tels que ceux à base de cobalt, d'or et de cuivre peuvent être conducteurs ou
semiconducteurs et pourraient être utilisés comme interconnecteurs pour le transport d'électrons dans des
dispositifs nanoélectroniques. Les nanofils sont typiquement fabriqués en utilisant un gabarit et le dépôt de
vapeur pour remplir le gabarit et faire croître le nanofil. Les procédés de dépôt comportent actuellement le
dépôt électrochimique et le dépôt chimique en phase vapeur. Le gabarit pourrait être formé par divers
procédés tels que la gravure chimique ou par l'utilisation d'autres nanomatériaux tels que les nanotubes.
3.1.4 Points quantiques
Les nanocristaux sphériques de 1 nm à 10 nm de diamètre composés de matériaux semiconducteurs
possèdent souvent des propriétés optiques uniques en raison d'effets quantiques et c'est pourquoi ils sont
souvent appelés «points quantiques». Le nombre d'atomes dans les points quantiques n'en fait ni une
structure pleine étendue ni une entité moléculaire. La lumière émise peut être ajustée à la longueur d'onde
souhaitée en modifiant la dimension extérieure.
Les points quantiques sont utilisés, entre autres applications, comme sondes fluorescentes en imagerie
médicale pour le diagnostic et en thérapeutique; dans ces applications, ils sont utilisés en raison de leurs
propriétés optiques et de la capacité de revêtir et de modifier leurs surfaces avec des peptides, des anticorps,
des acides nucléiques et d'autres molécules importantes du point de vue biologique.
Actuellement, la chimie, la physique et la science des matériaux ont fourni des méthodes pour la production
des points quantiques et permettent une maitrise plus précise de facteurs tels que la croissance et la taille des
particules, leur solubilité et leurs propriétés émissives. La méthode la plus courante de production de points
quantiques est celle des procédés colloïdaux chimiques humides.
3.1.5 Nanomatériaux polymères organiques
3.1.5.1 Dendrimères
Les dendrimères sont une nouvelle classe de polymères à plusieurs chaînes latérales et à structure contrôlée
avec des dimensions à l’échelle nanométrique. Ils permettent de synthétiser des nanostructures avec une
précision à l'échelle atomique, selon les dimensions, la forme et la chimie de surface souhaitées. Ils peuvent
présenter des caractéristiques hydrophiles et hydrophobes et peuvent se charger d'une grande diversité de
groupes fonctionnels pour des applications médicales. On pense qu'ils seront utilisés dans le domaine
médical et biomédical. La plupart des synthèses de dendrimères mettent en œuvre la répétition
alternativement d'une réaction de croissance et d'une réaction d'activation telles que la traditionnelle réaction
de Michael, ou la synthèse d'éther de Williamson, et une synthèse en phase solide plus moderne, la chimie
organométallique, la chimie du silicium organique et la chimie du phosphore organique.
3.1.5.2 Fibres
Les nanofibres peuvent être composées d'une grande variété de matériaux polymères. Les principales
techniques de fabrication sont l'électrofilage et le soufflage à gaz. Ces techniques permettent une grande
flexibilité pour maîtriser la composition chimique et les paramètres physiques tels que le diamètre et la
longueur des fibres. Des échafaudages de nanofibres peuvent être utilisés dans un certain nombre
d'applications telles que les capteurs et les dispositifs d'ultrafiltration pour phase liquide et gazeuse. Les
nanofibres polymères biodégradables peuvent trouver de nombreuses applications en médecine comme
échafaudages pour l'ingénierie tissulaire, la libération contrôlée de médicaments, les pansements, la
séparation moléculaire et la reconstitution des os.
3.1.6 Nanomatériaux bio-inspirés
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Les nanomatériaux bio-inspirés sont généralement des matériaux dans lesquels une substance biologique est
emprisonnée, encapsulée ou adsorbée sur la surface. Ils comprennent une large gamme d'assemblages
manufacturés de briques de base biologiques tels que des lipides, des peptides et des polysaccharides
utilisés comme transporteurs de médicaments, de récepteurs, d'acides nucléiques et d'agents d'imagerie. Des
exemples sont les micelles polymères, les architectures en cages de protéines, les nanoparticules-capsides
dérivées de virus, les polyplexes et les liposomes utilisés dans le transport et le ciblage optimal de
médicaments. De nombreuses formulations sont en cours de développement pour la libération de
médicaments par voies gastro-intestinale et respiratoire et des applications cutanées.
Les micelles se constituent en solution sous la forme d'agrégats dans lesquels les molécules amphiphiles
sont arrangées en une structure sphéroïdale avec des noyaux hydrophobes protégés de l'eau par un manteau

de groupes hydrophiles. Ces systèmes dynamiques, qui ont habituellement un diamètre inférieur à 50 nm,

sont utilisés pour la libération systémique de médicaments insolubles dans l'eau. Les médicaments ou l
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