Nanotechnologies

Un exposé sur les nanotechnologies : leurs principes, leur réalisation et leurs utilisations et l'état actuel des recherches.

Définition

Les nanotechnologies sont constituées de l'ensemble des applications issues de la nanoscience, c'est-à-dire la science qui étudie les objets nanométriques et leurs propriétés.

Ces objets ont pour point commun leur taille, qui varie autour de la valeur d'un nanomètre, soit 10^-9 mètres, la taille d'un atome valant environ 0,1 nanomètre, c'est-à-dire 1 Å.

Cependant, il n'est pas suffisant que la taille d'un élément soit comprise entre 0,1 et 100 nm pour parler de nanotechnologies : il faut également que cette taille soit un paramètre critique dans le fonctionnement de l'objet. Autrement, il s'agit simplement d'un dispositif classique, mais miniaturisé.

Contexte

Richard Feynman

Un des premiers physiciens à émettre l'idée de réalisations à l'échelle nanométriques fut Richard Feynman qui, en 1959, énonce « There is plenty of room at the bottom », que l'on peut traduire par « il y a plein d'espace aux petites échelles ». Il montre dans une conférence qu'il semble n'exister aucune limite fondamentale qui empêcherait de stocker les 400 millions de caractères de l'encyclopédie Britannica sur une tête d'épingle d'un millimètre carré. Il suffirait simplement que les lettres fassent 1×10^-6/400×10⁶=2,5×10¹⁵ m², soit 50×50 nm, soit 500×500 atomes.

Toutefois, cette conférence n'a eu aucun impact dans les vingt années suivantes. Il faudra attendre l'invention des microscopes appropriés pour que les nanotechnologies commencent à être réellement envisagées.

Approche top-down

Depuis l'émergence de l'électronique et de ses nombreuses applications, l'homme n'a eu de cesse de chercher à réduire la taille des composants, d'abord des tubes à vide amplificateurs de signal, puis des semi-conducteurs en silicium (diode, transistor).

En effet, parmi les applications classiques de ces composants, on trouve le stockage et le traitement d'informations. Réduire la taille des composants signifie pouvoir en assembler un nombre croissant sur une surface de plus en plus petite, ce qui entraîne finalement une augmentation de la capacité de stockage ou de traitement. De plus, des composants plus petits dissipent moins de chaleur par effet Joule, ce qui permet à la fois de créer des dispositifs moins gourmands en énergie ou ayant une plus grande autonomie et également d'augmenter leur fréquence.

Ainsi, l'apparition de microprocesseurs de plus en plus puissants ou de cartes mémoire de capacité de plus en plus grande est la conséquence directe de ce principe : plus l'on grave le silicium de manière fine, plus on peut y créer de composants.

En 1974, les microprocesseurs Intel 8008 sont gravés avec une finesse de 6 micromètres (6000 nanomètres). En 2008, la même entreprise commercialise des microprocesseurs Core i7 gravés en 32 nanomètres. On estime que la technologie utilisée actuellement limite la finesse de gravure à une dizaine de nanomètres. Quoi qu'il en soit, en dessous de 10 nm, l'effet tunnel devient prédominant, ce qui signifie que la probabilité qu'un électron traverse une barrière d'énergie est importante : à cette échelle, tous les matériaux, même les isolants, deviennent conducteurs.

Un autre effet surprenant est que la loi d'Ohm n'est plus valable aux petites échelles : quand ses dimensions diminuent, la résistance tend en effet vers une valeur constante, h/q², indépendante de tout, y compris du matériau !

Approche bottom-up

La nanotechnologie propose d'utiliser l'approche opposée : plutôt que de graver des composants minuscules dans un bloc de matière macroscopique, il serait intéressant d'utiliser les atomes comme des briques, en les assemblant pour fabriquer des objets plus grands.

Cette approche est appelée bottom-up, car elle part du « bas », c'est-à-dire des atomes, pour aller vers le « haut », c'est-à-dire l'échelle humaine.

Molécules et éléments concernées

Le silicium est utilisé notamment pour la fabrication des microprocesseurs. La finesse de gravure atteint actuellement la dizaine de nanomètres. La maîtrise des techniques de gravure à cette échelle est essentielle pour l'évolution des composants informatiques.

L'effet thermoélectrique permet de convertir la chaleur en électricité. Il est observable dans le silicium mais un facteur de mérite élevé est nécessaire pour que cet effet soit intéressant économiquement. Les meilleurs matériaux ont une facteur de mérite avec une valeur de un à deux, alors que pour le silicium nanostructuré, celui-ci tend vers quatre ! La maîtrise de la nanostructuration du silicium permettra peut-être un jour un transformation efficace de la chaleur en électricité par l'effet thermoélectrique.

Graphène

Le graphène est une molécule constituée d'atomes de carbone disposés en un cristal d'une couche atomique d'épaisseur. L'assemblage d'un grand nombre de couches constitue le graphite.

Il est 100 fois plus résistant et six fois plus léger que l'acier et conduit les électrons trente fois plus rapidement que le silicium.

Fullerènes

Les fullerènes (du nom de Buckminster Fuller, architecte des premiers dômes géodésiques), sont des molécules constituées d'atomes de carbone et possédant une certaine forme (sphérique, tubulaire, etc...).

Le fullerène le plus connu est le C₆₀. Constitué de 60 atomes de carbone assemblés en 20 hexagones et 12 pentagones, il a exactement la forme d'un ballon de football.

Nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone sont des fullerènes de forme tubulaire. Il est possible de les fabriquer en faisant évaporer du carbone à haute température, par exemple dans un arc électrique. Le tube obtenu a un diamètre de 1 à 10 nanomètres, soit 10 000 à 100 000 fois plus fin qu'un cheveu (dont le diamètre vaut environ 100 micromètres).

En les assemblant, on peut obtenir un matériau six fois plus léger et 100 fois plus résistant que l'acier. Leurs propriétés électriques (meilleur conducteur que le cuivre, supraconductivité à basse température), thermiques (grande conductivité de la chaleur) et optiques (matériau le plus sombre connu à ce jour, mais pouvant aussi produire de la lumière) sont également très intéressantes.

Outils et technologies

Les outils présentés ci-dessus ne suffisent bien sûr pas à fabriquer tout ce qui est imaginable dans le « nanomonde ». En effet, assembler les atomes un par un est extrêmement lent et la fabrication d'un objet macroscopique prendrait des milliards d'années.

Les concepts suivants sont donc des pistes à suivre pour maîtriser la fabrication de nano-objets.

Autoassemblage

Ce principe consiste à confier la tâche de construction aux atomes et molécules eux-mêmes, en créant des fonctions spécifiques, qui vont faire en sorte que telles ou telles molécules s'attirent ou se repoussent, s'assemblent ou s'évitent.

Tous les êtres vivants utilisent un tel principe pour leur propre construction, par exemple en créant l'ADN à partir de quatre bases azotées, ou encore les protéines à partir des acides aminés. De même, les coquillages produisent leur coquille en assemblant des « briques » de taille nanométrique. Cependant, dans l'état actuel des connaissances, l'homme ne sait pas reproduire ces mécanismes artificiellement.

Biomimétique

Comme nous venons de le voir, le monde vivant utilise déjà l'approche bottom-up. Il est donc possible de s'inspirer, voire de copier le fonctionnement du vivant pour espérer comprendre ses principes et les réutiliser dans l'assemblage de molécules.

D'autre part, la nature montre ce qu'il est possible de faire, par exemple de créer un mouvement à l'échelle moléculaire : certaines bactéries disposent de flagelles, qui leur permettent de se déplacer. D'autres, les bactéries magnétotactiques, synthétisent de la ferrite (Fe₃O₄), ce qui leur permet de se déplacer en utilisant le champ magnétique terrestre.

Le gecko, une sorte de lézard, utilise naturellement les nanotechnologies pour grimper aux murs et marcher au plafond. En effet, les extrémités de ses pattes sont recouvertes de millions de poils de 200 nanomètres de diamètre qui interagissent entre elles et avec la surface sur laquelle il se déplace. Les forces intermoléculaires suffisent à assurer une fixation fiable et le gecko peut ainsi soutenir tout son poids avec un seul doigt ! Des chercheurs de la Carnegie Mellon University (en Pennsylvanie, aux États-Unis) ont réussi a reproduire un tel dispositif et peuvent exercer une pression verticale de 100 N par centimètre carré sans que le matériau ne se détache de son support. De plus, cette surface adhésive est facilement repositionnable, car elle se détache lorsque la force exercée est perpendiculaire à la normale. [source : L'Usine nouvelle n° 3137 du 5 mars 2009 p. 57]

La feuille de lotus, comme les pattes du gecko, est recouverte de nanopoils qui font que ni l'eau, ni les poussières ne peuvent y adhérer. Ainsi, elle reste toujours propre, même dans un environnement sale. Ce principe peut être reproduit en réalisant une telle surface sur un pare-brise ou sur les vitres d'un bâtiment, par exemple, mais aussi des textiles ou des peintures, pour rendre leur nettoyage inutile. Cependant, la durée de vie de telles surfaces est assez faible, car elles sont très fragiles et des contacts répétés peuvent arracher les poils.

Salle blanche

Il s'agit d'une pièce dont l'atmosphère est étroitement contrôlée : elle est finement filtrée et tout est fait pour y éviter la présence de gros éléments comme des poussières. En effet, celles-ci étant énormes par rapport aux objets étudiés, elles fausseraient toutes les mesures et rendraient impossible l'analyse à l'échelle atomique.

Il existe différents « classes » de salles blanches, définies par le standard ISO 14644-1, qui impose un nombre maximal de particules d'une certaine taille par mètre cube d'air. Par exemple, la classe ISO 1, la plus restrictive, limite la présence de poussières à 10 particules de 0,1 micromètres et 2 particules de 0,2 micromètres par mètre cube.

Une fois son atmosphère filtrée, la pièce est maintenue en surpression par rapport à l'extérieur, pour éviter l'entrée d'air « sale ».

L'IEMN

L'Institut d'électronique de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) est un laboratoire de micro et nanotechnologies situé sur le campus de l'Université de Lille-I à Villeneuve-d'Ascq. Il est parfois possible aux étudiants de l'Université de visiter ses salles blanches.

Microscopes

Les ondes électromagnétiques correspondant au spectre visible ont des longueurs d'onde qui varient de 400 à 800 nm. Or, le phénomène physique de diffraction fait que lorsqu'un objet éclairé a des dimensions du même ordre de grandeur que la longueur d'onde, celle-ci est dispersée. Il est par conséquent impossible d'observer des objets plus petits que 400 nm (et donc des atomes) au microscope optique. Le microscope optique en champ proche contourne cette limite en récupérant l'onde évanescente, mais n'est pas très utilisé.

Microscope à effet tunnel

Ce microscope révolutionnaire utilise des propriétés quantiques de la matière pour détecter sa présence, avec une résolution d'un atome. Sa pointe, souvent en tungstène ou en platine iridié, se termine par un atome unique et sert à mesurer des courants de quelques nano ou picoampères. Ces courants varient en fonction de l'inverse de l'exponentielle de la distance entre la pointe et l'atome détecté. Il est donc possible de mesurer cette distance avec une très grande précision.

En la « promenant » à la surface d'un matériau, on obtient une cartographie exacte de sa surface, à l'atome près. Ce même outil permet également, par l'envoi d'un courant électrique, de déplacer les atomes un par un.

Ce microscope permet donc de « voir » et déplacer les atomes individuellement, mais sa limite est que le matériau en question doit être conducteur. Il faut de plus travailler sous vide.

Microscope à force atomique

Le principe est similaire à celui du microscope à effet tunnel, car il s'agit toujours d'une pointe que l'on déplace à faible distance des atomes de la surface à étudier. Cependant, le phénomène physique utilisé est l'apparition de forces électrostatiques entre la pointe et la surface, dès lors que les atomes qui les composent sont de nature différente. Le signe de ces forces change lorsque la pointe passe d'un côté à l'autre de l'atome, ce qui permet de les localiser. La hauteur est mesurée grâce à un laser, qui se réfléchit sur le bras de levier qui supporte la pointe.

Un des avantages de ce dispositif est de travailler à pression atmosphérique et à température ambiante.

Utilisation possible

Les nanotechnologies cherchent soit à créer des objets nanoscopiques avec des fonctions précises, soit à fournir des propriétés macroscopiques à des objets à échelle humaine.

Ainsi, les champs d'application sont extrêmement vastes, et vont des surfaces nanostructurées (par exemple non-rayables, ou insalissables) aux matériaux fonctionnels (vitres à opacité variable) et aux nano-robots.

Électronique

Le graphène, cristal de carbone à deux dimensions, fait circuler les charges électriques 30 fois plus rapidement que ne le fait le silicium. Il pourrait donc remplacer ce dernier dans les microprocesseurs.

D'autre part, les écrans à LED et à cristaux liquides pourraient bénéficier de leurs propriétés, car le graphène est un conducteur électrique transparent.

Les nanotubes de carbone pourraient remplacer le filament en tungstène des ampoules.

Énergie

Les nanomatériaux (graphène et autres) offrent une surface de contact colossale, ce qui est propice à leur utilisation comme électrode de condensateur ou comme lieu d'une réaction chimique permettant de fixer l'hydrogène, pour le graphane, et de le libérer ensuite. Cela stocke donc temporairement de l'énergie.

On peut ainsi citer les MOF (Metal-Organic Frameworks), COF (Covalent Organic Frameworks) et ZIF (Zeolitic Imidazolate Frameworks) qui sont des réseaux nanoporeux caractérisés par une bien meilleure surface de contact que les meilleurs matériaux conventionnels : 1000 m²/g pour le charbon actif contre 5900 pour certains MOF ! L'Institut Lavoisier de Versailles, l'Université de Californie à Los Angeles et l'Université Texas A&M ont présenté divers MOF donc certains peuvent stocker de l'hydrogène, du méthane ou encore du CO₂, parfois même des volumes plusieurs centaines de fois supérieurs à celui du matériau et capables ensuite de le libérer ! [source : L'Usine Nouvelle n° 3128 du 18 décembre 2008]

Dans les règnes animal et végétal, l'énergie est stockée d'une manière tout-à-fait étonnante. Il s'agit d'un système moteur-générateur constitué par l'ATP synthase, dans les mitochondries et les chloroplastes. Les ions H⁺ passent à travers les parois de ces corpuscules, ce qui entraîne la rotation mécanique de l'ATP synthase. Celle-ci transforme ensuite cette énergie mécanique en énergie chimique, pour transformer l'adénosine diphosphate en adénosine triphosphate en lui ajoutant un atome de phosphore. Ce processus est réversible et atteint un rendement extrêmement proche de un. C'est un des meilleurs moteurs connus et il représente une très haute densité d'énergie.

Nanomatériaux

Le principe est ici d'inclure des nano-objets à une (nanorenforts), deux (surfaces nanostructurées) ou trois (volumes nanostructurés) dimensions à des matériaux pour améliorer leurs propriétés.

L'ajout de nanomatériaux (graphène) dans les matériaux existants (acier, béton) peut, dans certains cas, améliorer grandement leurs propriétés (d'élasticité, de rupture...) et de les renforcer. L'utilisation de particules nanoscopiques dans les matériaux est une science très ancienne puisque, par exemple, les verres colorés des vitraux utilisaient déjà ce genre de procédés au XII^e siècle, sans bien sûr que l'on connaisse les principes physique sous-jacents.

Biotechnologies

C'est sans doute un des domaines qui pourrait profiter le plus des nanotechnologies, tant les applications possibles sont multiples.

En effet, des expérimentations ont déjà été menées par des chercheurs de l'Université de Paris-XI sur l'encapsulation des principes actifs anticancéreux : enfermer ces molécules dans des « squalènes » de 10 à 100 nm permet de les faire circuler dans le corps sans qu'elles soient détruites par le système immunitaire (cette destruction est une cause importante d'échec des traitements anticancéreux actuels). [source : Les Échos du 27 avril 2010] Ces médicaments vont donc détruire très spécifiquement les cellules cancéreuses, bien plus précisément que ne le font les techniques actuelles.

Des matériaux nouveaux, à base de carbone, pourraient révolutionner le domaine des prothèses osseuses. Du silicium nanostructuré a déjà pu interagir avec des neurones d'escargot.

Les nanotechnologies permettraient aussi le séquençage rapide de l'ADN, l'exploration in situ du corps humain pour le diagnostic, etc...

Nanosystèmes

Sans déjà parler de nanorobots, des recherches sont en cours pour réaliser des systèmes complexes basés sur des éléments simples de taille nanométrique. On peut ainsi imaginer des réseaux de capteurs communiquants, dans les ailes d'avion ou dans les murs, pour renseigner en temps réel sur divers paramètres (température, contraintes, etc.) en disposant d'un grand nombre de mesures. Ces systèmes seraient peu sensibles aux dysfonctionnements de quelques composants parmi l'ensemble et pourraient fonctionner en récupérant l'énergie ambiante (énergie vibratoire, mouvement brownien...). Une limite est que la quantité d'énergie récupérable dans l'environnement paraît relativement faible, ce qui indique qu'a priori, ces systèmes communiqueront à faible fréquence.

Dans ce domaine, il reste énormément à inventer et de grands défis se présentent : quelle architecture pour les machines cognitives ? Les microprocesseurs sont des machines de Von Neumann, mais notre cerveau fonctionne bien différemment... Les microprocesseurs actuels ont l'inconvénient majeur de produire beaucoup de chaleur qu'il faut dissiper. Nos connaissances actuelles nous limitent à la dissipation par convection, soit au maximum à 100 W/cm². Est-il possible d'en dissiper cent ou mille fois plus, grâce aux nanotechnologies ?

Utilisation effective

Des milliers d'articles de notre quotidien contiennent déjà des molécules issues des nanosciences ou encore des nanoparticules.

Un exemple fréquemment cité est la crème solaire : certaines marques lui ajoutent du dioxyde de titane (TiO₂), ce qui améliore son opacité aux rayons ultraviolets.

Un autre cas est celui des chaussettes contenant des nanoparticules d'argent : les bactéries n'y survivent pas, ce qui élimine les odeurs de pieds. Cependant, leur lavage entraîne le rejet de ces nanoparticules dans les égouts. Les stations d'épuration ne sont pas nécessairement équipées pour éliminer ces composés de l'eau, sans compter tous les pays (parfois producteurs de ces technologies) où l'eau n'est pas nettoyée avant son rejet.

Enjeux

Impact économique

L'impact possible des nanotechnologies est d'autant plus important que le marché estimé représente des sommes colossales. Ainsi, certains instituts prévoient qu'il représentera près de 1000 milliards de dollars par an dans quelques années. Les investissements en Recherche et Développement sont passés de 20 milliards d'euros pour 2002-2006 à 53 milliards d'euros pour 2007-2013 pour l'Union européenne.

Dangers potentiels

Risque chimique

L'un des risques les plus sérieux concernant les nanomatériaux est qu'ils seraient potentiellement cancérigènes : étant donnée leur taille infime, ils pourraient traverser les parois cellulaires et provoquer des mutations, donc des cancers.

D'autre part, comme il s'agit de technologies récentes, il est possible que toutes les propriétés des molécules utilisées ne soient pas encore connues, et en particulier leur toxicité. Une bonne traçabilité est nécessaire pour appliquer le principe de précaution. Ainsi, l'utilisation réelle d'additifs nanométriques dans divers produits de consommation courante devrait donc être soumise à des contrôles stricts et à des procédures permettant de s'assurer que ces molécules seront détruites et non-pas rejetées dans l'environnement à la fin de la vie des produits.

Pour le moment, aucun étiquetage particulier n'est requis pour ces matériaux et la procédure européenne REACh qui recense les molécules potentiellement dangereuses ne s'occupe que des volumes supérieurs à une tonne par an, valeur parfois supérieure aux productions actuelles pour ces technologies.

Cependant, les études sur les risques potentiels de ces technologies sont en cours et ce, alors que la technologie n'en est qu'à ses débuts. De plus, de nombreuses nanoparticules sont présentes naturellement dans notre environnement (produites surtout pendant les combustions : incendies, cigarettes, moteurs diesels, barbecues... : on en compte habituellement au moins 10 000 par centimètre cube d'air) et les risques ne sont donc pas spécifiques à ce domaine technologique.

Il est aujourd'hui compter ces particules de manière fiable grâce au Compteur à noyau de condensation (CNC), mais sans connaître leur taille, à moins de les sélectionner au préalable en fonction de leur mobilité dans un champ électrique. Pour ce qui est de leur nature chimique, la fluorescence de rayons X (TXRF) permet d'analyser les nanoparticules présentes sur un filtre, comme elle le faisait déjà pour les impuretés sur les wafers. La Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) permet de connaître la composition chimique à distance et en temps réel, en analysant les émissions lumineuses des éléments transformés en plasma. [source : L'Usine nouvelle n° 3276 du 15 mars 2012 p. 43]

Nanorobots destructeurs

Un autre risque, en imaginant des nanomachines capables de s'autoreproduire serait que l'évolution universelle ne s'y applique et n'engendre des nanorobots destructeurs qui pourraient finalement éliminer toute forme de vie sur Terre (lire par exemple les romans Engines of creation d'Eric Drexler et La proie de Michael Crichton). Cependant, on ne sait pas encore fabriquer de machines macroscopiques autoreproductrices et donc à plus forte raison, pas de taille nanoscopique. Cependant, on peut constater qu'il est généralement facile de priver une machine à taille humaine de sa source d'énergie. Si une nanomachine tirait sa puissance d'énergies telles que mouvement brownien, par exemple, la tâche serait nettement plus ardue. Mais cette même considération énergétique permet également la conclusion inverse. En effet, la création d'un objet par auto-assemblage nécessite énormément d'énergie et il est peu probable qu'elle se produise spontanément.

Atteintes à la vie privée

Un autre risque envisageable serait que les nanotechnologies se retrouvent « partout » et aient pour conséquence de faciliter la surveillance des individus et de restreindre leurs libertés fondamentales.

Ce risque est, certes, à prendre en compte, mais n'est certainement pas spécifique aux nanotechnologies : l'utilisation d'un téléphone portable, de services en lignes, de cartes de transport ou de crédit, etc. permettent déjà une géolocalisation précise des individus, sans qu'il soit nécessaire d'attendre les technologies à venir.

Conclusion

Les nanotechnologies n'en sont certainement qu'à leurs balbutiements, mais les applications imaginées et les résultats publiés par les chercheurs laissent déjà présager une possible révolution dans les technologies maîtrisées par l'homme. L'intégration de matériaux plus résistants, voire intelligents ou la création d'objets capables d'agir à l'échelle atomique portent un potentiel de changement sans doute supérieur à celui de l'émergence de l'informatique, qui a déjà changé le monde.

On peut donc imaginer que la prochaine révolution industrielle sera étroitement lié à l'étude, à la compréhension et à la maîtrise du nanomonde. Les risques liés existent et imposent de rester vigilant mais réaliste. Toute technologie apporte des bénéfices et des risques ; il est essentiel de les évaluer avec discernement.

Les nanotechnologies sont donc promises à un développement important au cours des prochaines décennies, et leur développement nécessite des compétences situées à l'intersection de toutes les sciences existantes : physique quantique et moléculaire, biologie, chimie, électronique, etc. ce qui rend leur étude d'autant plus intéressante.

Sources

Info Chimie Magazine n° 489 de novembre 2008 p. 18-19

Cette page en français a été créée par Peter à partir de connaissances ou expériences personnelles, 17 juillet 2009 et modifiée pour la dernière fois 25 août 2020. Son avancement est noté 3/3.