Découvrez les secrets du h. Image: Dr James Bendall, Université de Cambridge, Royaume-Uni

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1 Découvrez les secrets du h monde nanométrique! Image: Dr James Bendall, Université de Cambridge, Royaume-Uni

2 De nos jours, le mot «nano» est couramment utilisé comme synonyme de «petit».

3 Pour comprendre les Pour comprendre les nanotechnologies, nous devons raisonner en termes d'échelles.

4 Le nanomètre est l'unité de mesure utilisée à l'échelle nanométrique.

5 Il y a pas mal de nanomètres ici! Le C 60 est une nanoparticule, étant donné que son diamètre est légèrement supérieur à 1nm

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7 Chien 10 0 m ou nm de longueur Puce 10-3 m ou nm de longueur Globules rouges 10-5 m ou 6000nm de diamètre ADN 10-8 m ou 2,5nm de diamètre Nanoparticule 10-9 m Une dimension est comprise entre 1 et 100nm.

8 Une molécule d'eau qui mesure à peu près 0,5nm a environ la même taille par rapport à une pomme qu'une pomme par rapport à la Terre. Le trajet est long jusqu'à l'échelle nanométrique!

9 Les nanoparticules ne sont que de minuscules parties d'une matière plus vaste. Mais, qu'arrive-t-il lorsque l'on crée ces minuscules éléments? Images de nanoparticules d'or: Paul Rhatigan, Université de Cambridge.

10 Éléments minuscules = plus de.

11 1cm Superficie 1cm 4cm 2cm 6cm 2 3cm 12cm 2 3cm

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13 Les nanoparticulesont une plus grande superficie. Cette propriété les rend plus réactives, étant donné que les réactions chimiques se produisent à la surface. Plus de réactivitésignifie potentiellement plus d'utilité.

14 Dans un centimètre cube de matière, un atome sur 10 millions se trouve à la surface, mais dans un nanomètre cube, 80 % des atomes se situent à la surface et sont potentiellement prêts à réagir! Images : Dr Colm Durkan, Université de Cambridge

15 C'est la taille qui est déterminante à ce niveau! À l'échelle nanométrique, les propriétés d'un matériau peuvent différer de façon spectaculaire. Il peut s'agir du point d'ébullition, de la solubilité ou de l'activité catalytique. Rien qu'en raisond'une réduction de la taille, les matériaux peuvent présenter de nouvelles propriétés qu'ils ne possèdent pas à une échelle plus grande ou à l'échelle macroscopique. Les lois classiques de la physique ne sont plus d'application!

16 Changement de la couleur Par exemple, parfois, le simple fait de modifier la taille d'une particule peut changer considérablement sa couleur. Tellure de cadmium MACRO Or MACRO Taille croissante Nanoparticules de CdTe A. Eychmüler, Université de technologie de Dresde

17 Même les propriétés mécaniques et électriques peuvent être influencées par la taille! Le graphène est cassant et diélectrique. Les nanotubes de carbone sont comme les feuilles de graphène, mais enroulés... Pourtant, ils présentent des propriétés totalement différentes. Le saviez-vous? Les nanotubes de carbone sont beaucoup plus résistants que l'acier, mais beaucoup plus légers, et peuvent être conducteurs.

18 Comment les scientifiques travaillent-ils à une échelle aussi minuscule?

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20 Principalement, en utilisant des microscopes qui font appel à des technologies de plus en plus évoluées. Les premiers microscopes qui ont été développés vers 1665ont ouvert un nouveau monde de possibilités aux scientifiques. Pour la première fois, les cellules et les structures de la nature qui sont bien connues aujourd'hui sont devenues observables. L'opinion publique redoutaitce voyage dans le monde invisible de l'échelle microscopique.

21 Aujourd'hui, nous disposons de microscopes capables de «voir» encore plus loin et d'analyserles atomes, qui sontles élémentsconstitutifsdu vivant. Ces microscopes plus élaborés sont collectivement appelés «microscopes à champ proche» ou SPM.

22 Un microscope à champ proche utilise une pointe de sonde extrêmement fine (dont l'extrémité ne compte parfois que quelques atomes) et balaye la surface pour en détecter les contours et les formes. Balayage des formes de la surface par la pointe de la sonde (Exemples: Microscope à force atomique (AFM), Microscope à effet tunnel (STM)

23 Un cantilever, qui peut être comparé à un plongeoir, est attaché à la pointe d'un microscope à force atomique ou AFM. L'ensemble se déplace vers le haut et le bas lorsque la pointe balaye la topographie atomique de la surface d'un échantillon. détecteur ordinateur faisceau laser pointe de la sonde échantillon Un faisceau laser est réfléchi par la face supérieure du cantilever. Lorsque le cantilever est défléchi, le faisceau laser l'est également. Le détecteur d'un ordinateur enregistre le mouvement du faisceau laser et traduit ces données en une image, comme celles qui se trouvent ci-contre à droite. Schéma qui illustre le fonctionnement d'un microscope à force atomique ou AFM Images: T. Oppenheim, Université de Cambridge

24 Microscope à effet tunnel Un microscope à effet tunnel est doté d'une sonde minuscule qui balaye une surface en vue de détecter des variations de courant entre cette dernière et les atomes à la surface. Cette sonde est composée d'un matériau conducteur (généralement du tungstène) dont l'extrémité n'a qu'une largeur d'un atome! Ces variations de courant sont traduites en images, comme celles qui se trouvent ci-contre à droite. Une pointe de tungstène pour obtenir des images à l'aide d'un microscope électronique à effet tunnel Images: Université de Cambridge, Nanoscience Centre

25 La pointe d'une sonde peut également être utilisée pour déplacer des atomes individuellement. Image créée à l'origine par Don Eigler, IBM Corporation Cette image montre des atomes de fer qui ont été déplacés individuellement.

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27 Cette idée d'élaborer des objets à partir d'atomes en faisant appel à une approche ascendante revêt un intérêt particulier pour les chercheurs. APPROCHE DESCENDANTE Les ordinateurs et les téléphones deviennent de plus en plus compacts, mais de plus en plus puissants. La technologie fait appel à des composants de plus en plus petits, de l'ordre du nanomètre. Il est judicieux de fabriquer ces nanodispositifs en faisant appel à une approche ascendante, plutôt qu'à une approche descendante plus traditionnelle. APPROCHE ASCENDANTE La fabrication qui repose sur une approche ascendante consomme moins d'énergie et produit moins de déchets.

28 Le déplacement individuel d'atomes ne constitue pas encore une technique durable pour la création de nanostructures, car elle est trop lente. Toutefois, les scientifiques peuvent exploiter un autre processus appelé AUTO-ASSEMBLAGE, que l'on retrouve fréquemment dans la nature. Les atomes, les molécules ou les nanoparticules s'arrangent eux-mêmes pour former des structures plus grandes, s'ils présentent les propriétés nécessaires dans l'environnement adéquat. Ce processus joue un rôle essentiel dans la constitution de l'adn, des cellules, des os et des virus. Ces derniers s'auto-assemblent tous sans aucune forme d'assistance.

29 Uneautre manière pour les scientifiques de créer des dispositifs de taille nanométrique consiste à faire appel à un procédé appelé la lithographie. La lithographie est souvent utilisée pour fabriquer des puces informatiques. Son fonctionnement est très similaire à l'impression ou à la peinture à la bombe en utilisant un pochoir. Or, la lithographieutilise de la lumière ou des électrons au lieu d'encre ou de peinture. La photolithographieutilise la lumière pour créer des structures d'une taille d'environ 20nm. Si les scientifiques souhaitent créer des structures encore plus petites (environ 5nm), ils utilisent des électrons au lieu de la lumière. Cette technologie est appelée lithographie à faisceau d'électrons. Voiciune structure finie créée à l'aide de la lithographie à faisceau d'électrons. Images: Dr Atif Aziz et Dr Colm Durkan, Université de Cambridge

30 Sur cette image, chaque lettre est composée de centaines de nanotubes! Ils sont plus résistants, mais considérablement plus légersque l'acieret plus flexibles. Ils peuvent se comporter comme des métaux, mais aussi comme des semi-conducteurs. Ils sont très efficaces pour transmettre la chaleur et sont assemblés à partir d'atomes de carbone. Les nanotubes de carbone constituent une découverte très intéressante qui pourrait révolutionner les matériaux de demain. Images: Stephan Hoffman, Université de Cambridge Même lorsque les nanotubes ont achevé leur croissance, chaque entité est plus petite qu'une cellule sanguine humaine. Avec de telles propriétés, les nanotubes pourraient jouer un rôle clé dans le développement de nouveaux matériaux et composants électroniques.

31 On trouve beaucoup de structures nanométriques dans la nature. C'est pour cette raison que les scientifiques s'inspirent de la nature pour construire des éléments à cette échelle minuscule.

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33 Biomimétisme Le biomimétismeest le terme utilisé pour désigner la stratégie des scientifiques qui consiste à reproduire les propriétés de la nature. En étudiant les feuilles de lotus et leur structure, les scientifiques ont été en mesure de concevoir des matériaux imperméables, de même que des fenêtres autonettoyantes. En étudiant les ailes de papillons, ainsi que leurs nanostructures, les scientifiques ont pu expliquer comment la lumière peut interagir différemment en fonction de différentes surfaces. Cela nous a aidés à fabriquer des hologrammes de sécurité et des produits pour les cheveux! Des ailes de papillon sous le microscope Même la nanostructure du bec d'un toucan a permis de concevoir des composants d'avion ultralégers.

34 Les pattes des geckos sont dotées de Image : A Dhinojwala, Université d'akron Image : C. Mathisen, FEI Company nanostructures. Image : A. Kellar, Lewis & Clark College Les pattes des geckos sont recouvertes de minuscules structures qui ressemblent à des poils et que l'on appelle «setae». À une distance suffisamment proche d'une surface, ces structures produisent de faibles interactions adhésives entre les molécules. Le résultat est une forte adhésion qui est entièrement due aux forces de Van der Waals. Les scientifiques se sont inspirés de cette nanostructure pour créer des pansements à usage interne qui adhèrent même dans un environnement humide. La nature a l'habitude de travailler à l'échelle nanométrique et nous pouvons tirer profit de ses accomplissements pour créer des nanotechnologies naturelles.

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36 Les nanotechnologies font déjà partie de notre vie. La nanoélectronique a permis la miniaturisation de gadgets électroniques que nous utilisons quotidiennement. Certaines balles de tennis restent élastiques grâce à leur couche interne dotée d'une nanostructure. Des chaussettes qui contiennent des nanoparticules d'argent sont censées éviter les mauvaises odeurs et les infections au niveau des pieds. Certaines raquettes de tennis sont fabriquées à l'aide d'un nanocomposant à base de carbone qui les rend plus fortes et plus légères qu'auparavant.

37 Les nanotechnologies font déjà partie de notre vie. Certains textiles présentent des propriétés très hydrophobes grâce à l'utilisation de nanostructures hydrofuges qui les protègent contre l'eau et les taches. Les produits cosmétiques et les écrans solaires qui contiennent des nanoparticules peuvent assurer une meilleure protection et un plus grand confort. Les lunettes de soleil recouvertes d'un revêtement doté d'une nanostructure sont résistantes à la buée. De même, elles sont plus faciles à nettoyer, se rayent plus difficilement, et présentent des propriétés antistatiques et antibactériennes.

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39 Les nanotechnologies sont une science pluridisciplinaire qui englobe beaucoup de domaines scientifiques et industriels différents:

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41 C'est le potentiel des nanotechnologies qui rend cette discipline si intéressante. Parmi les domaines dans lesquels les nanotechnologies pourraient avoir un impact considérable figurent les applicationsmédicales (par exemple, traitement du cancer) les technologies de l'information(par exemple, ordinateurs plus rapides) les solutions énergétiques(par exemple, piles à combustible et cellules solaires plus économiques. Ces domaines ont tous un impact considérable sur notre vie.

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