Nanotechnologie , nouvelle dimension
"Le Stade quantique". Image obtenue avec un microscope à effet tunnel.
© IBM, Crommie, Lutz & Eigler (IBM Almaden Visualization Lab)
Entrer dans le nanomonde, c'est voir beaucoup plus finement la matière à très petite échelle. C'est aussi l'analyser et la modifier avec des nouvelles techniques. Malgré la taille infime des atomes et les lois physiques particulières qui les gouvernent
(physique quantique), nous sommes aujourd'hui capables, grâce aux nanosciences et aux nanotechnologies, de mieux les organiser pour fabriquer des nanostructures aux propriétés nouvelles et intéressantes.
Une question d'echelle
Engrenage de base d'une future nanomachine - © Numerical Aerospace Simulation Systems Division (NAS) of the NASA Ames Research Center.
Le préfixe "nano" vient du grec nannos, qui signifie "nain". Il divise par un milliard l'unité dont il précède le nom. Par exemple : une nanoseconde (1 ns), c'est un milliard de fois plus bref qu'une seconde. Un nanomètre (1 nm), c'est 30 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu. Un atome d'hydrogène mesure environ 0,1 nm. Il y a la même différence de taille entre un atome et une balle de tennis, qu'entre cette même balle et la Terre. Un tel changement d'échelle permet de comparer l'exploration de "l'infiniment petit" à celle de "l'infiniment grand".
Quelles lois physiques ?
Molécules rangées sur une surface de cuivre grâce à un
microscope à effet
tunnel. - © IBM Research Division's Zurich laboratory
On appelle "nanomonde" le monde des molécules et des atomes. En y entrant, on ne change pas seulement d'échelle : ce sont d'autres lois qui le gouvernent. À ce niveau, les lois de la physique classique ne permettent plus d'expliquer le comportement des particules et l'on doit faire appel aux lois de la physique quantique. Elle prédit par exemple des comportements inhabituels et difficiles à accepter par notre intuition immédiate, tel l'effet tunnel. Ou le fait qu'il soit impossible de déterminer simultanément la vitesse et la position d'un électron : on ne peut pas connaître sa position exacte, mais seulement son emplacement probable.
Des propriétés nouvelles
Alignement de nanotubes de carbone. - © Nanotechnology gallery, NASA & Ames Research Center
Les nanosciences et les nanotechnologies permettent de mieux contrôler l'organisation des atomes et des molécules pour créer des nanostructures aux propriétés nouvelles ou plus performantes. Si dans la nature, les atomes de carbone peuvent s'organiser spontanément en diamant ou en graphite (le charbon), les chercheurs ont découvert et fabriquent une nouvelle forme de matériau carboné : les nanotubes de carbone. Leur rigidité est en principe 100 fois plus élevée que celle de l'acier. Ces "nouvelles formes moléculaires", obtenues grâce aux nanotechnologies, présentent des propriétés très intéressantes qu'elles soient mécaniques, thermiques, électriques... La NASA envisage même de créer un ascenseur vers l'espace à l'aide de ces nanomatériaux. Science fiction … ?
Epitaxie par jets moléculaires - © Artechnique/CEA
Voir et manipuler individuellement les atomes et les molécules est le défi relevé depuis peu par les scientifiques grâce à la mise au point de microscopes à sonde locale. Ainsi, le rêve des nanotechnologies et le concept d'ingénierie moléculaire se concrétise peu à peu, à la convergence de plusieurs disciplines : nanotechnologie, biotechnologie , informatique et sciences cognitives. Bientôt nous pourrons sans doute fabriquer des nanostructures atome par atome, molécule par molécule, ce qui représentera une évolution technologique majeure.
Visualiser l'invisible
© P.Stroppa/CEA
Le pouvoir de résolution de l'œil humain ne dépasse pas 0,2 mm, celui du microscope optique est limité au micromètre ou micron (0, 001 mm).Ces dernières décennies, les outils d'observation et de manipulation se sont affinés : aujourd'hui, grâce à la microscopie à sonde locale, microscopes à effet tunnel ou à force atomique, nous pouvons visualiser les atomes, malgré leur taille d'environ 0,1 nanomètre. Le principe de fonctionnement de ces instruments est similaire à ce que fait l'homme dans le noir qui tâte son environnement avec ses doigts. Ici, le microscope utilise une pointe ultrafine constituée à son extrémité d'un seul atome. Cependant, de nombreux progrès devront être réalisés pour fabriquer industriellement des nanostructures, car les "nano-outils" sont encore très primitifs.
FABRIQUER DES NANO OBJETS
Image extraite de "Le corral quantique" - © E-spaces- Forrest Bishop
On sait fabriquer une allumette à partir d'un arbre, mais imaginez que demain on puisse la construire atome par atome … Cette image illustre les deux voies complémentaires dans le développement des nanotechnologies. Avec la voie descendante ou miniaturisation (technique du top-down,) on "découpe" ou sculpte , en quelque sorte, les objets existants pour réduire leur taille. La microélectronique devient ainsi la nanoélectronique. A l'inverse, la voie ascendante (technique du "bottom-up") consiste à fabriquer des nanostructures en assemblant les briques élémentaires (atomes ou molécules) une par une. L'électronique peut ainsi devenir moléculaire. Dans les deux cas, les lois de la physique quantique s'appliquent, avec des effets spécifiques à l'échelle nanométrique. Quoiqu'il en soit la voie ascendante transformera de manière radicale les procédés de fabrication industriels.
Des sciences convergentes
Labopuce Biochiplab - © CEA
Les nanotechnologies font interagir de nombreuses disciplines : physique, chimie, biologie, électronique, etc. Aux États-Unis, les spécialistes parlent de "convergence NBIC", abréviation qui regroupe les Nanotechnologies (ensemble des techniques au niveau atomique ou moléculaire), la Biotechnologie (dont l'ingénierie génétique), l'Informatique (avec de nouveaux modes de traitement des données comme l'ordinateur quantique, la transmission et le stockage de l'information…) et les sciences Cognitives (ensemble de disciplines visant à l'étude et la compréhension des mécanismes de la connaissance). Par son interdisciplinarité la convergence NBIC est porteuse de multiples applications. Appliquée au vivant, elle permet, au-delà de la réparation de tissus ou d'organes abîmés, d'envisager l'amélioration des capacités humaines. Transformer l'homme, l'immortaliser, fabriquer un surhomme : tels sont les projets du transhumanisme. Rêve ou cauchemar ?
Laboratoire d'analyses médicales sur une puce - © P.Stroppa/CEA
Le développement des nanotechnologies va transformer notre quotidien. La possibilité de réduire la taille des objets tout en augmentant leurs performances nous promet des produits plus petits, plus légers, moins chers, plus puissants (ordinateurs) ou plus efficaces (soins médicaux). Plus de 300 produits contenant des nanoparticules sont déjà commercialisés. Progressivement c'est notre vie quotidienne toute entière, du travail aux loisirs, qui sera affectée par cette évolution extrêmement rapide.
Des nanoproduits étonnants
Pièces frittées à partir de poudres céramiques nanométriques
© A.Gonin/CEA
Les applications pratiques des nanotechnologies concernent potentiellement tous les domaines : santé, énergie, transports, communications, environnement, défense, etc. On envisage ainsi de construire des nanomatériaux avec un minimum de matière première ; de fabriquer des mémoires de la taille d'une tête d'épingle pouvant contenir toute les bibliothèques du monde ; de transporter les médicaments dans des nanocapsules pour les libérer au niveau des cellules malades ; de détecter et neutraliser des micro-organismes et des pesticides dans le sols et les eaux. Une révolution en marche puisque plus de 300 produits "nanos" sont déjà sur le marché : textiles insalissables recouverts d'une pellicule de nanoparticules d'argent ; verres autonettoyants, sur lesquels ont été déposés des couches minces d'oxyde de titane ou encore dentifrice aux nanoparticules de phosphate de calcium, qui comblent les minuscules fissures des dents.
Les enjeux économiques
Minatec, pôle d'innovation en micro et nanotechnoologies.Grenoble
© Minatec / CEA/ MMNT/ P. Conche
D'un point de vue macroéconomique, certains considèrent les nanotechnologies comme la prochaine révolution industrielle. Les investissements sont massifs : 7 milliards d'euros en 2004 (dont 3,8 milliards de fonds publics). La France, avec 155 millions d'euros, se situe en 6e position mondiale ; elle est en 5e position en termes de publications sur le sujet et de brevets. Au niveau microéconomique, du fait de l'augmentation des investissements publics et privés, et du nombre d'entreprises et de brevets, les nanotechnologies influencent de plus en plus notre univers socio -économique : nouvelles formations, nouveaux domaines de recherche, nouveaux métiers, nouvelles opportunités d'interaction entre des activités autrefois séparées (NBIC). Des enjeux qui dépassent le cadre de la recherche, de l'industrie et de l'économie car ils concernent l'ensemble de la vie sociale.
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