Premiers pas dans le «nano-monde»

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1 Premiers pas dans le «nano-monde» Pascale Launois Directeur de Recherche au CNRS Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris Sud, Orsay

2 Nano : qu est-ce que c est? quel intérêt? depuis quand? un domaine aux multiples facettes Propriétés et applications nano : quelques exemples Toxicité? Nanoparticules réactives et explosives Nano-lotus : auto-nettoyant Nano-gecko : plus adhésif Nanocomposites : plus résistants, plus conducteurs Nano-pointes pour écrans plats Nano-couches pour nos ordinateurs Nano en médecine Débats et choix de société

3 «Nano» : qu est-ce que c est?

4 νανος (nanos) en grec signifie nain nano: préfixe pour milliardième 1 nm = 1/ m

5 km 10 cm 10μm 1/ / / nm Terre km Ballon 20 cm Grain de pollen Molécule de fullérène 1/ /

6 o Nanosciences o Nanotechnologies

7 Nano : quel intérêt?

8 Réduire la taille des objets : - plus transportables - moins d énergie (fabrication, consommation) - moins de déchets Evolution au fil des ans du nb. de transistors sur la surface d une «puce», de la taille des grilles des transistors et de leur coût

9 Les objets nano ont des propriétés nouvelles : - Rôle de la surface beaucoup plus important Nombre d atomes en surface par rapport à ceux à l intérieur : environ 3 à gauche pour 8 à droite Le rapport surface sur volume varie comme l inverse du côté ou du rayon : il augmente quand la taille diminue

10 - Effets quantiques Des phénomènes nouveaux apparaissent aux très petites échelles Par exemple : la couleur des nanocristaux dépend de leur taille!

11 Nano : depuis quand?

12 Depuis «toujours» Nanoparticules naturelles Verre rouge de Murano obtenu par ajout de petites particules d or (XVIème siècle)

13 1959. Richard Feynman -prix Nobel de Physique- lance le sujet : «There is plenty of room at the bottom» (Il y a plein de place tout en bas) Depuis les années 1990 : développement très rapide des nanosciences et nanotechnologies Nombre de publications annuelles (bleu) et de brevets (x10, noir) Chiffre d affaire des nanotechnologies (milliards de $) Années D après R.H. Baughman, A.A. Zakhidov & W.A. de Heer, Science (2002) D après «Nanomonde», R. Moret

14 Nano : un domaine aux multiples facettes D après R. Compaňó, commission européenne

15 Chimie Physique Biologie Nanosciences et technologies Éthique Médecine Économie Sociologie Toxicologie

16 Propriétés et applications nano : quelques exemples

17 Nanoparticules réactives et explosives Forte proportion d atomes en surface Plus efficaces comme catalyseurs de réaction chimiques (catalyseur = intervient dans la réaction sans être transformé - déclencheur de réaction) Actuellement : nanoparticules de palladium dans les pôts catalytiques des automobiles (transformation de monoxyde de carbone ou d hydrocarbures imbrûlés en dioxyde de carbone et eau). À venir : nanoparticules d or. Plus efficaces comme explosifs : libèrent plus vite l énergie de détonation : propulsion fusées

18 Nano-lotus : auto-nettoyant Surfaces, peintures auto-nettoyantes

19 Nanotubes de carbone (début 90) Diamètre ~ nm Tapis brosse de nanotubes Goutte flottant sur un tapis de nanotubes

20 Nano-gecko : plus adhésif ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/docs/nano_brochure_fr.pdf

21 La main de ce jouet est tapissée de «cheveux» de polymère structurés à l échelle nanométrique 2003 (univ. Manchester, Angleterre) Recherche actuelle : pouvoir décoller-recoller, etc Nanotubes : adhésion = 200 x celle de la patte de gecko (2005) Left: An electron microscope image of vertically aligned, multi-walled carbon nanotubes grown on a silicon base. Right: Multi-walled carbon nanotubes transferred onto PMMA, a type of plastic used in everything from protective hockey rink walls to contact lenses.

22 Nanocomposites : plus résistants, plus conducteurs Meilleures propriétés mécaniques : avec (entre autres possibilités) des nanotubes de carbone, - qui sont dix fois plus rigides que l acier et six fois plus légers - qui absorbent l énergie Tour de France 2005, équipe Phonac

23 Polymères et plastiques conducteurs grâce aux nanotubes dissipation de la charge électrostatique industrie automobile : tuyaux et filtres essence parties plastiques des automobiles (peinture)

24 Nano-pointes pour écrans plats Émission de champ e - e- e -

25 verre Phosphore NT 1999 verre

26 LETI/CEA Avantages : faible consommation haute brillance temps de réponse rapide A résoudre : coût

27 Nano-couches pour nos ordinateurs Magnétorésistance géante eau électrons Hauteur = énergie = potentiel électrique = U Courant d eau courant électrique =I U=RI R=résistance

28 La résistance d un matériau peut dépendre de son état magnétique (lord Kelvin, 1856) Les électrons portent un spin (sorte de moment magnétique) multicouches Fe/Cr ~ 80% 1988 : découverte de la magnétorésistance géante dans des couches nano! Équipes d Albert Fert (LPS, Orsay, France) et de Peter Gründberg (Jülich, Allemagne) champ magnétique (kg) Fe Cr Fe Cr Fe Cr

29 1997 : premières têtes de lecture utilisant le principe de la magnétorésistance géante Têtes de lectures magnétorésistives Le Monde, 12/ : prix Nobel de Physique pour les deux découvreurs, A. Fert et P. Gründberg

30

31 Nano en médecine Nano-objets : peuvent interagir avec les biomolécules à la surface et à l intérieur de la cellule - diagnostic (dont imagerie) - thérapie localisée, libération ciblée de médicaments - régénération

32 Détruire une tumeur cancéreuse avec des nanoparticules à base de fer? Technique qui consiste à introduire dans la tumeur, via un très fin cathéter, des particules d oxyde de fer de 15 nanomètres, enrobées de lipides et de protéines. Ensuite les malades sont soumis à un champ magnétique qui fait vibrer les particules fois par seconde. La température des cellules cancéreuses dépasse rapidement 43 C, elles sont détruites de l intérieur. Puis les débris cellulaires sont «digérés» naturellement par les cellules macrophages. Les nanoparticules se retrouvent alors dans la rate, avant d être éliminées, progressivement semble-t-il, par l organisme. (Dr Andreas Jordan de l hôpital de la Charité à Berlin)

33 Détruire une tumeur cancéreuse avec des nanotubes de carbone? Équipe H. Dai, Stanford, USA

34 Régénération tissus Croissance de neurones sur une plaquette recouverte de nanotubes Activité synaptique spontanée augmentée Nanotubes de carbone correctement fonctionnalisés : pourraient jouer un rôle dans la reconstruction de tissus de neurones endommagés? M. Prato et al., Nano Letters 2005

35 Toxicité?

36 Toxicité éventuelle des nanoparticules? - Certaines existent à l état naturel ou sont déjà produites en grandes quantité (industriellement, gaz d échappement des voitures ) déjà un certain recul - Nouveaux types de nanoparticules pourraient être produites en masse bientôt toxicologues mobilisés Ex. : nanotubes de carbone Usine pilote Arkema à Lacq, France : 10 T/an Arkema (possibilité : 1T/heure!) CNI, USA : plusieurs tonnes /semaine Carbon Nanotechnologies

37 Exposition respiratoire Anatomie des voies aériennes Taille de particules et sites de déposition NPL TB A Transparent de J. Boczkowski, médecin et directeur de recherches à l INSERM

38 La taille des particules conditionne leurs propriétés inflammatoires Particules de polystyrène de différent diamètre, instillés par voie IT chez le rat. Animaux étudiés à 24h. Particules Cellularité LBA Cellularité inflammatoire vs surface Brown DM et al. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2001, 175: Transparent de J. Boczkowski, médecin et directeur de recherches à l INSERM

39 Mais il existe d autres facteurs - Les modifications de surface : réactivité de surface ; - La composition chimique, incluant des composants de surface comme les métaux de transition et particulièrement la capacité à produire des formes réactives de l oxygène ; - La forme ; - La solubilité et la capacité à former des agrégats ou des agglomérats et la «forme» de ces agrégats ou agglomérats ; etc, etc et d autres paramètres : méthodes de fabrication, de stockage, etc

40 En conclusion Effets sur la santé des nanomatériaux manufacturés : - Possibles, dans certaines conditions. - Domaine complexe, il faut beaucoup plus de connaissances pour mieux comprendre et pouvoir prédire et maîtriser ces effets. Méthodologie (programme européen Nanosafe 2) 1. Identification du danger, 2. Caractérisation du danger, 3. Evaluation de l exposition, 4. Calcul du risque, 5. Communication sur le risque, 6. Gestion du risque

41 Potentialités immenses des nanosciences et nanotechnologies Enjeux humains, sociétaux et économiques très importants Débats et choix de société

42 Biblio et webographie Nanomonde : des nanosciences aux nanotechnologies, par R. Moret, CNRS Editions Les Nanotechologies doivent-elles nous faire peur? Par L. Lauret et J.-C. Petit Les petites pommes du savoir, Le pommier

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