Nanotechnologie

Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes matériels à l'échelle du nanomètre (nm). Dans ce contexte, les nanosciences sont l’étude des phénomènes et de la manipulation de la matière aux échelles atomique, moléculaire et macromoléculaire, où les propriétés (physico-chimiques) différent significativement de celles obtenues à une plus grande échelle. Les nanotechnologies, quant à elles, sont la conception, la caractérisation, la production et l’application de structures, dispositifs et systèmes par le contrôle de la forme et de la taille à une échelle nanométrique. Malgré la relative simplicité et précision de ces définitions, 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, la chimie, ou encore la 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 ».

La vision de Feynman

Le microscope à effet tunnel

Elles purent se développer avec l'avènement d'outils tels que le microscope à effet tunnel et le microscope à force atomique. Ces instruments combinés avec la lithographie permettent d'observer, de manipuler et de créer des nanostructures.

Fullerènes et nanotubes

Les 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 pharamineux 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

Physique des nanosciences

A 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. De surcroît, une molécule prise isolément n'a pas le même comportement qu'un ensemble de molécules.

L’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 nanotechnologiques 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.

L’évolution technologique de 1993 et 2003 dans le monde :

Au regard de l’article paru dans la revue Nature Nanotechnology en 2006, on note l’évolution suivante pour les brevets déposés à l’Office Européen des Brevets (EPO):

Si ces chiffres représentent une forte évolution, on note également une relative stabilité pour ces deux périodes. Néanmoins cette évolution ne prend pas en compte les coissances plus rapides (1997-1999) et les diminutions (2000-2001).

L’évolution des connaissances fondamentales entre 1989 et 2000 dans le monde :

Nous prendrons pour caractériser l’évolution des publications scientifiques, un article utilisant une méthode plus englobante que celle utilisée dans l’article de nature nanotechnology permet de caractériser l'évolution des publications nanotechnologiques :

Périodes de créations des entreprises concernées par les NST

En suivant un rapport émis par la commission européenne à propos de l’estimation du développement économique des NST, nous pouvons regarder les dates de créations d’entreprises concernées par cette activité.

Ces chiffres sont basés sur un répertoire d’entreprises particulier qui semble sous-évaluer les effectifs réels. Ils montrent bien une nette accélération des entreprises concernées par les nanotechnologies depuis les années 1990, mais d’autres sources, plus complètes, font des estimations bien au dessus de ces chiffres. Le site NanoVIP estimait qu'en 2005 plus de 1400 entreprises étaient identifiées comme étant concernées par les nanotechnologies.

Le développement actuel des NST mobilise et recouvre un large spectre de domaines et de disciplines scientifiques.

Les principaux champs scientifiques concernés

Du point de vu de la connaissance scientifique mobilisée, plusieurs sous-disciplines sont particulièrement utiles aux développements des connaissances fondamentales des NST. En effet, des analyses détaillées de la manière dont sont publiés et construits les articles scientifiques concernant les nanotechnologies et les nanosciences, montrent l’émergence de trois sous-champs spécifiques :

• biosciences et pharma : autour de la biologie, des laboratoires pharmaceutiques et des biotechnologies. Ce champ peut être qualifié comme celui de la nanobiologie.
• nanomatériaux et synthèse chimique : autour de la chimie et des nanomatériaux. Ce champ peut être qualifié comme celui des nanomatériaux.
• superconductivité et ordinateur quantique : essentiellement issue de la microélectronique, ce champ peut être qualifié comme celui de la nanoélectronique.

L’ensemble de ces trois champs s’articulent les uns aux autres avec plus ou moins d’intensité et de distance. Ils ont un impact important sur les modalités d’organisation de l’activité industrielle qu’ils mobilisent dans la zone concernée. En effet, la nanobiologie est essentiellement structurée autour de nombreuses petites entreprises et des grands groupes pharmaceutiques, alors que les activités industrielles concernées par la nanoélectronique s’organisent, pour l’essentiel, autour de très grands groupes, quelques petites entreprises et des grands équipements partagés.

Ingénierie moléculaire

L'ingénierie moléculaire, rendue possible grâce à l'invention d'un instrument comme le microscope à effet tunnel, consiste à construire et développer des molécules "à façon".

En France, c'est le laboratoire de Christian Joachin qui est la pointe dans ce domaine.

Médicales

Les communautés biologiques et médicales exploitent les propriétés des nanomatériaux pour des applications variées (des agents contrastants pour l'imagerie de cellules, des thérapeutiques pour la lutte contre le cancer).

On regroupe sous le terme de nanobiologie et de nanomédecine les applications dans ce domaine. En France, Patrick Couvreur est le plus ancien représentant des chercheurs de ce courant des NST.

On peut ajouter des fonctions aux nanomatériaux en les interfaçant avec des structures ou des molécules biologiques. Leur taille est en effet assez proche. Les nanomatériaux sont donc utiles à la recherche et aux applications in vivo et in vitro. Cette intégration permet l'émergence d'outils de diagnostic ou d'administration de médicaments.

Énergétiques

On peut voir des avancées dans le domaine du stockage, de la conversion, et de la production d'énergie ainsi que dans celui des économies d'énergie.

• Des structures empilées de semi-conducteurs permettent d'atteindre de plus grands rendements pour les cellules photovoltaïques.

• Des réductions de la consommation d'énergie sont rendues possible par des systèmes d'isolation thermique, une amélioration des matériaux conducteurs. Dans le domaine de la production de lumière, l'utilisation de matériaux issus des nanotechnologies tels que les LEDs permettent d'obtenir un rendement intéressant.

• Les piles à combustible, peuvent gagner en efficacité par l'utilisation de matériaux nano-poreux pour le stockage de l'hydrogène.

Électroniques

Les structures des puces électroniques ou des circuits intégrés sont déjà à l'échelle du nanomètre et utilisent intensivement les nanotechnologies. Les avancées sont constantes dans les domaines des communications, du stockage d'information et du calcul.

Il n’y a guère longtemps, on considérait qu'intégrer des composants de deux microns serait le seuil de miniaturisation absolu pour des dispositifs à semi-conducteurs (l'épaisseur du trait sur les circuits des premiers processeurs d'Intel était de l’ordre de 10 microns. À cette époque on pensait qu’il serait bien difficile de dépasser la barrière d'un micron).

En 2004, des sections de 90 nanomètres constituent l’état de l’art et les processeurs sont produits en masse avec une finesse de 65 nanomètres dès le premier semestre 2006. Des puces gravées en 45 nanomètres sortiront courant 2008 et le 32 nanomètres est déjà prévu... Mais il y a une limite absolue, tout du moins pour une technologie héritée des procédés conventionnels de photolithographie y compris les évolutions des technologies actuelles, telles que la photolithographie « extrême-UV », la lithographie à rayon X durs, la gravure par faisceau d'électron,... Les nanotechnologies suggèrent une nouvelle approche plus radicale lorsque les voies classiques auront atteint leurs limites.

Notons que deux difficultés majeures prédominent dans la construction de circuits électroniques à base de nanotechnologie, et donc l'émergence de la nano-informatique :

• À l’échelle du nanomètre tout objet n’est qu’un assemblage des mêmes briques élémentaires : les atomes. À cette échelle du millionième de millimètre, les propriétés physiques, mécaniques, thermiques, électriques, magnétiques et optiques dépendent directement de la taille des structures et peuvent différer fondamentalement de celles du matériau au niveau macroscopique, tel qu’on l'exploitait jusqu’à présent. Cela est dû à un ensemble de raisons qui incluent le comportement quantique bien entendu, mais également l’importance croissante des phénomènes interfaciaux.

• On est à ce jour incapable de maîtriser l’assemblage coordonné d’un très grand nombre de ces dispositifs de commutation (par exemple transistor à nanotubes de carbone - CNFET pour « Carbon Nanotube Field Effect Transistor » ou encore circuits électroniques mono-moléculaires hybrides,...)sur un circuit et encore moins de réaliser cela sur un plan industriel.

La diversité des recherches engagées dans le domaine des NST ainsi que la variété des savoirs mobilisés, a amené la constitution de plusieurs définitions dans la litérature des NST. Ce constat peut s’appuyer sur deux idées centrales qui ont un impact important sur notre capacité à trouver une définition unique et stable :

• le taux de croissance élevé (nombre d’articles et nombre de brevets par exemple) de cette discipline par rapport à des sciences établies (en incluant les biotechnologies qui sont en train de se stabiliser)
• la nature floue des frontières de cette jeune discipline qui assemble et réorganise des savoirs jusqu’alors (en partie) cloisonnés.

Définition par les propriétés de la matière

Selon certains scientifiques , les NST se caractériseraient par l'étude de nouvelles propriétés de la matière apparaissant à l'échelle nanométrique.

En effet, à l'échelle nanoscopique le rapport entre les différentes forces d'interactions est différent du rapport à l'échelle macroscopique. Les forces de surface deviennent prépondérantes face aux forces d'inertie, en effet :

• Les forces d'inertie et le poids varient avec le cube de la longueur caractéristique des objets manipulés (forces volumiques).
• Les forces de surface telles que les forces de Van der Waals ou les forces électromagnétiques varient avec le carré de la longueur caractéristique de l'objet.
• La force de Casimir est souvent non négligeable, et les axes frottent davantage que si elle n'existait pas.

De surcroît, les faibles dimensions permettent de faire intervenir des effets quantiques tels que l'effet tunnel, le transport balistique et l'émission de champs. Il existe des applications directes dans le domaine des semi-conducteurs et ouvre des perspectives pour les supraconducteurs.

Pour des tailles de l'ordre du nanomètre, les caractéristiques électriques, mécaniques ou optiques des matériaux changent. D'autre part, les rapports de surfaces devenant prépondérants, les nanotechnologies ouvrent des perspectives en chimie en particulier pour la catalyse.

Définition par l'approche bottom up

D'autres proposent de définir les NST par la nouvelle démarche qui les caractériserait.

Depuis les débuts de l’humanité, fabriquer une machine ou un objet manufacturé relève d’un processus macroscopique. Même si les échelles de dimensions ne cessent d’être miniaturisées, c’est toujours un processus macroscopique qui est mis en œuvre. Les matériaux sont produits, mis en forme par enlèvement de matière ou déformation, puis assemblés à l’échelle de grands agrégats de matière, comparativement à la taille des atomes.

Par opposition, la nanotechnologie s'appuie sur le procédé inverse : elle consiste à partir du plus petit pour aller vers le plus grand. Elle va de l’intérieur (des atomes) vers l’extérieur (les machines et les produits manufacturés). C’est pour cela que nous qualifierons de technologie « ascendante ». La nanotechnologie est donc la discipline qui vise à étudier, manipuler et créer des groupes d'atomes puis des objets manufacturés par le contrôle individuel des atomes, « du bas vers le haut ».

Le terme générique "nanotechnologies" concerne donc l'assemblage contrôlé d'atomes et de molécules pour donner des matériaux avec de nouvelles propriétés.

Des perspectives extraordinaires

Le développement des NST s'accompagne de discours annonçant des transformations radicales de notre monde grâce (ou à cause) des NST. On parle de nanomoteurs, de nanorobots, d'ascenseurs spatiaux...

Mais à ce jour, aucune des ces promesses n'a vu le jour, et rien ne permet d'indiquer qu'elles se réaliseront.

Une nouvelle corne d'abondance

Corrélativement aux promesses d'innovations radicales se développent des discours sur les perspectives économiques des NST.

Ces discours sont en effet relayés par les décideurs politiques et économiques, qui voient dans les NST un formidable potentiel de développement économique.

Une nouvelle forme de science

A côté de ces discours prophétiques se développent des analyses tentant de montrer le caractère très singulier des NST, qui romperaient avec les anciens modes de production de la connaissance scientifique, et ouvriraient un "nouveau paradigme".

En particulier, avec les NST s'effondreraient les différences entre science et technologie, et entre monde scientifique et monde économique.

La convergence NBIC

Selon plusieurs auteurs, les NST s'accompagneraient d'une "convergence" des nanosciences, de la biologies, des NTIC et des sciences cognitives, convergence qui déboucherait sur un complet changement de "paradigme".

Structuration institutionnelle

En Europe, le 7ème PCRD joue un rôle important dans l'organisation des recherches en NST à l'échelle du continent.

Aux États-Unis a été lancée la National Nanotechnology Initiative (NNI)

Les institutions des NST

À noter en matière de nanotechnologies l'importance de la technopole grenobloise qui représente un bassin de recherche et d'ingénieurs unique en Europe dans ce domaine. Des pays émergeants, notamment le Maroc ont créé des zones prioritaires dédiées à la recherche en nanotechnologies.

Financement des NST

Les industries investissent massivement dans des recherches sur les nanotechnologies, celles-ci étant pressenties pour ouvrir des horizons nouveaux aux biens manufacturés dans l'avenir.

Une manne financière pour les physiciens

Le phénomène de relabelisation

Tous les laboratoires affichant leur appartenance au domaine des NST n'ont pas nécessairement infléchis leur thématiques de recherche. Certains ont "relabélisé" leur travaux en ajoutant le préfixe "nano", sans rien changer sur le fond.

Bernadette Bensaude Vincent analyse le rapport particulier qu'entretiennent les scientifiques impliqués dans les NST à leurs objets d'étude.

Les nanotechnologies font l'objet de critiques quant à leurs enjeux et à leurs risques avérés et potentiels.