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Nanotechnologies

 

par Normand Aubry

Les nanosciences et nanotechnologies (d'après le grec, « nain »), ou NST, peuvent être définies au minimum comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures (physiques, chimiques ou biologiques), de dispositifs et de systèmes matériels à l'échelle du nanomètre (nm), ce qui est l'ordre de grandeur de la distance entre deux atomes1.

Les NST présentent plusieurs acceptions liées à la nature transversale de cette jeune discipline. En effet, elles utilisent, tout en permettant de nouvelles possibilités, des disciplines telles que l'optique, la biologie, la mécanique, microtechnologie. Ainsi, comme le reconnaît le portail français officiel des NST, «les scientifiques ne sont pas unanimes quant à la définition de nanoscience et de nanotechnologie»2.

Les nanomatériaux ont été reconnus comme toxiques pour les tissus humains et les cellules en culture3,4,5,6,7. La nanotoxicologie étudie les risques environnementaux et sanitaires liés aux nanotechnologies. La dissémination à large échelle de nanoparticules dans l'environnement est sujette à des questions éthiques.

Les nanotechnologies bénéficient de plusieurs milliards de dollars en recherche et développement8. L'Europe a accordé 1,3 milliard d'euros pendant la période 2002-20069 et 3,5 milliards d'euros pendant la période 2007-201310. Au début des années 2000, certains organismes prédisaient que le marché mondial annuel pourrait être de l'ordre de 1 000 milliards de dollars américains dès 2015 (estimation de la National Science Foundation en 2001), jusqu'à 3 000 milliards de dollars (estimation Lux Research Inc de 2008)11.

Historique

Vision de Feynman

Dans son discours donné le 29 décembre 195912 à la Société américaine de physique, Richard Feynman évoque un domaine de recherche possible alors inexploré : l'infiniment petit; Feynman envisage un aspect de la physique «dans lequel peu de choses ont été faites, et dans lequel beaucoup reste à faire»13.

Se fondant sur la taille minuscule des atomes, il considère comme possible d'écrire de grandes quantités d'informations sur de très petites surfaces : «Pourquoi ne pourrions-nous pas écrire l'intégralité de l'Encyclopædia Britannica sur une tête d'épingle»14. Une affirmation qui n'avait pas été spécifiquement relevée, et qui est aujourd'hui abondamment citée (de fait, ce qui à l'époque était infaisable, semble aujourd'hui parfaitement réalisable, grâce aux progrès en microtechnologies). Feynman veut aller au-delà des machines macroscopiques avec lesquelles nous vivons : il imagine un monde où les atomes seraient manipulés un par un et agencés en structures cohérentes de très petite taille.

Microscope à effet tunnel

Le développement des nanosciences et nanotechnologies s'appuie sur l'invention de deux instruments permettant d'observer et d'interagir avec la matière à une échelle atomique ou subatomique. Le premier est le microscope à effet tunnel qui a été inventé en 1981 par deux chercheurs d'IBM (Gerd Binnig et Heinrich Rohrer), et qui permet de parcourir des surfaces conductrices ou semi-conductrices en utilisant un phénomène quantique, l'effet tunnel, pour déterminer la morphologie et la densité d'états électroniques des surfaces qu'il explore. Le second est le microscope à force atomique qui est un dérivé du microscope à effet tunnel, et qui mesure les forces d'interactions entre la pointe du microscope et la surface explorée. Cet outil permet donc, contrairement au microscope à effet tunnel, de visualiser les matériaux non conducteurs. Ces instruments combinés avec la photolithographie permettent d'observer, de manipuler et de créer des nanostructures.

Fullerènes et nanotubes

En 1985, trois chercheurs, Richard Smalley, Robert F. Curl (de l'université Rice de Houston) et Harold W. Kroto (université du Sussex) découvraient une nouvelle forme allotropique du carbone, la molécule C60 constituée de 60 atomes de carbone répartis sur les sommets d'un polyèdre régulier formé de facettes hexagonales et pentagonales. Chaque atome de carbone a une liaison avec trois autres. Cette forme est connue sous le nom de buckminsterfullerène ou buckyball et doit son nom à l'architecte et inventeur américain Richard Buckminster Fuller qui a créé plusieurs dômes géodésiques dont la forme est analogue au C6015.

Plus généralement, les fullerènes dont fait partie le C60, sont une nouvelle famille de composés du carbone. Non équilatéraux, leur surface se compose d'une combinaison d'hexagones et de pentagones à l'instar des facettes d'un ballon de football. Cette disposition leur confère des structures toujours fermées en forme de cage de carbone. Il fallut néanmoins attendre 1990, pour que Huffman et Kramer de l'université de Heidelberg, mettent au point un procédé de synthèse permettant l'obtention de ces molécules en quantités macroscopiques. Les nanotubes ont été identifiés six années plus tard dans un sous-produit de synthèse des fullerènes16.

Prophéties de Drexler

En 1986, Eric Drexler publie un ouvrage sur l'avenir des nanotechnologies, Engines of Creation, dans lequel il délivre sa vision des progrès faramineux possibles avec l'essor des nanotechnologies. Ainsi les lois physiques paraissant insurmontables aujourd'hui pourraient être dépassées, les produits créés pourraient être moins coûteux, plus solides, plus efficaces grâce à la manipulation moléculaire. Mais Drexler a également prévu ce qu'on pourrait appeler le revers de la médaille, en effet de telles technologies capables de se reproduire ou du moins de se répliquer par elles-mêmes pourraient être tout simplement cataclysmique puisque, par exemple, des bactéries créées dans un quelconque intérêt commun pourraient se répliquer à l'infini et causer des ravages sur la flore mais aussi sur la faune et même sur l'humanité.

Drexler écrit que si l'essor des nanotechnologies, apparemment inéluctable dans le processus d'évolution, devait nous apporter énormément dans des domaines très vastes, il est également fort probable que ces technologies deviennent destructrices si nous ne les maîtrisons pas entièrement.

À ce sujet, une des questions qui peuvent être posées est la forte capacité pénétrante qu'ont les nanoparticules à l'égard des tissus cellulaires. Effectivement, du fait de leur taille inférieure aux cellules, dès lors que ces dernières sont à l'état de particules, elles peuvent outrepasser certaines barrières naturelles. Cette propriété est d'ailleurs déjà exploitée dans l'industrie cosmétique.

Physique des nanosciences

À l'échelle nanométrique, la matière présente des propriétés particulières qui peuvent justifier une approche spécifique. Il s'agit bien sûr des propriétés quantiques, mais aussi d'effets de surface, de volume, ou encore d'effets de bord. Ainsi, conformément aux lois de la mécanique quantique, une particule adoptera au niveau nanométrique un comportement ondulatoire aux dépens du comportement corpusculaire que nous lui connaissons au niveau macroscopique. Cette dualité onde-corpuscule est particulièrement visible dans l'expérience des fentes de Young. Un faisceau de particules (lumière, électrons, etc.) interfère avec une série de fentes peu espacées et crée une figure d'interférences, caractéristique d'un phénomène ondulatoire. Cette dualité onde-corpuscule de la matière, qui reste à ce jour une des grandes interrogations de la physique va provoquer divers phénomènes au niveau nanométrique, par exemple :

  • quantification de l'électricité : dans les nanofils (ou nanowire) on a remarqué que le courant électrique n'est plus constitué d'un flux continu d'électrons mais qu'il est quantifié, c'est-à-dire que les électrons circulent par «paquets» dans le circuit;
  • quantification de la chaleur : de même dans un circuit de taille nanométrique, on a observé que la chaleur se propage de manière quantifiée.

Ces phénomènes, ont été constatés pour la première fois de visu en l'an 2001, avec le « chapelet conducteur d'électricité »17 (electrically conductive string) par son inventeur, le thermodynamicien Hubert Juillet, ce qui a permis de confirmer les théories de la mécanique quantique en la matière. Ce comportement quantique nous oblige à revoir notre façon de penser : lorsque l'on veut décrire une particule, on ne parle plus en termes de position en un temps donné, mais plutôt en termes de probabilité que la particule soit détectée à un endroit plutôt qu'à un autre.

L'enjeu majeur des nanosciences est donc de comprendre ces phénomènes mais aussi et surtout d'en tirer profit lors de la conception d'un système nanométrique. De nombreux laboratoires dans le monde travaillent sur ce sujet18.

Émergence des nanotechnologies

Derrière l'effet d'annonce, plusieurs études ont été menées pour appréhender l'évolution des nanotechnologies et des nanosciences. Ainsi, en considérant le fait que les définitions ne sont pas stabilisées, la composante commune des différentes méthodes utilisées est de mesurer l'activité nanotechnologique sous trois angles : publications scientifiques (plutôt pour les connaissances fondamentales), brevets (plutôt pour les aspects technologiques), et éventuellement institutions et entreprises concernées ou encore les capitaux investis (pour mesurer l'activité économique et industrielle réelles). Qu'il s'agisse des brevets ou des publications scientifiques, les valeurs présentées dans les tableaux suivant étaient négligeables avant les années 1990.

 Notes et références:

  1. (en) The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, « Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties » [archive], 2004, p5.
  2. CEA, « Nanoscience-nanotechnologie » [archive], Ministère de la Recherche (consulté le 15 mai 2007).
  3. a et b (en) Günter Oberdörster, « Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials: elements of a screening strategy », Particle and Fibre Toxicology, vol. 2,2005, p. 8 (PMID 16209704, PMCID 1260029, DOI 10.1186/1743-8977-2-8) .
  4. a b et c (en) Li N, Sioutas C, Cho A, et al., « Ultrafine particulate pollutants induce oxidative stress and mitochondrial damage », Environ Health Perspect., vol. 111, no 4,avril 2003, p. 455–60 (PMID 12676598, PMCID 1241427, DOI 10.1289/ehp.6000, lire en ligne [archive]).
  5. a b et c (en) Marianne Geiser, « Ultrafine Particles Cross Cellular Membranes by Nonphagocytic Mechanisms in Lungs and in Cultured Cells », Environmental Health Perspectives, vol. 113, no 11,novembre 2005, p. 1555–60 (PMID 16263511, PMCID 1310918, DOI 10.1289/ehp.8006).
  6. a et b (en) Alexandra E. Porter, « Visualizing the Uptake of C60 to the Cytoplasm and Nucleus of Human Monocyte-Derived Macrophage Cells Using Energy-Filtered Transmission Electron Microscopy and Electron Tomography », Environmental Science and Technology, vol. 41, no 8,2007, p. 3012–7 (DOI 10.1021/es062541f).
  7. a et b (en) Radoslav Savic, « Micellar Nanocontainers Distribute to Defined Cytoplasmic Organelles », Science, vol. 300, no 5619,25 avril 2003, p. 615–8 (PMID 12714738, DOI 10.1126/science.1078192).
  8. Claude Ostiguy, Brigitte Roberge, Catherine Woods et Brigitte Soucy, Les nanoparticules de synthèse : Connaissances actuelles sur les risques et les mesures de prévention en SST, Québec (CA), IRSST, 2e éd. (lire en ligne [archive] [PDF]).
  9. With a budget of EUR 1 429 million for 2002-2006, ... [archive] et Connaissances actuelles sur les risques et les mesures de prévention ... [archive], (page 2).
  10. (en) « Cooperation: NANOSCIENCES, NANOTECHNOLOGIES, MATERIALS AND NEW PRODUCTION TECHNOLOGIES - FP7 - Research - Europa » [archive], sur ec.europa.eu (consulté le 5 février 2018)
  11. Claire Auplat et Aurélie Delemarle, « Mieux comprendre les nouvelles opportunités liées aux nanotechnologies », Entreprendre & Innover, no 16,avril 2012, p. 64-77 (lire en ligne [archive]).
  12. Richard Feynman, « There's plenty of room at the bottom », Engineering and Science, Vol. 23-5, Caltech, février 1960, p. 22-36. [archive].
  13. (en) ...a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be done... [archive], sur le site zyvex.com.
  14. (en) Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin[archive], sur le site zyvex.com.
  15. Jean-Baptiste Waldner, « Nanocomputers & Swarm Intelligence », ISTE, Londres,2007, p. 90 (ISBN 9781847040022).
  16. (en) Jean-Baptiste Waldner, « Nano-informatique et intelligence ambiante - Inventer l'ordinateur du XXIe siècle », Hermes Science, Londres,2007, p. 83 (ISBN 2746215160).
  17. ESPACENET - US PATENT, (en) [1] [archive] .
  18. Pour la Science : Nanosciences, no 290, Belin, Paris, décembre 2001.