Nano-sciences, Nano-technologies Nano-materiaux. C. Joachim et X. Bouju

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1 Nano-sciences, Nano-technologies Nano-materiaux C. Joachim et X. Bouju

2 Sommaire: 1m Un peu d histoire 1mm Top down Bottom up 1 μm limite oeil nu cellules facteur 1million Rester en bas limite microscope optique 1nm molecules Et le spatial? 1 Α atomes

3 Un peu d histoire 1911

4 1932: Le microscope électronique E. Ruska

5 1953: Le microscope ionique de champ E.W. Muller

6 1959 But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately ---in the great future--- we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can't put them so that they are chemically unstable, for example). R.P. Feynman, Dec. 1959, Caltech (Californie)

7 1960: Lithographie par faisceau d électrons G. Mollenstedt and R. Speidel, Phys. Bl., 16, 192 (1960)

8

9

10 1972 J.Monod

11 1974

12 1 nm = m

13 1981: Le microscope à effet tunnel G. Binnig H. Rohrer

14 Principe du Microscope à effet tunnel (STM) G. Binning & H.Rohrer, 1981

15 0.2 nm

16 1986 E. Drexler

17 1988

18 1990 D. Eigler

19 2000

20 National Nanotechnology Initiative President Clinton's Remarks at Science and Technology Event California Institute of Technology, Pasadena, California January 21, 2000 Excerpts Today, I want to thank you for all that you are doing to advance the march of human knowledge. I have also come here to announce all the ways we intend to accelerate that march - by greatly increasing our national funding for science and technology. The budget I will submit to Congress next month will include a $2.8 billion increase in our 21st Century Research Fund. This will support a $1 billion increase in biomedical research at the National Institutes of Health double the largest dollar increase for the National Science Foundation in its 50 year history and will provide major funding increases in areas such as information technology, space exploration, and the development of cleaner sources of energy. My budget supports a major new National Nanotechnology Initiative, worth $500 million. Caltech is no stranger to the idea of nanotechnology - the ability to manipulate matter at the atomic and molecular level. Over 40 years ago, Caltech's own Richard Feynman asked, "What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?" [One answer is that we can make cool images of the Western Hemisphere in gold atoms, as you can see in greatly magnified form behind me. With our national investment in nanotechnology, we believe we can find more enduring uses.] Imagine the possibilities: materials with ten times the strength of steel and only a small fraction of the weight shrinking all the information housed at the Library of Congress into a device the size of a sugar cube detecting cancerous tumors when they are only a few cells in size. Some of our research goals may take 20 or more years to achieve, but that is precisely why there is an important role for the federal government.

21 NNI Final, December 2003

22 MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER

23 Top- down Nanotechnologies miniaturisation Nanomatériaux Nouveaux matériaux 1 nm Rester en bas Nanosciences Technologie à l échelle atomique Bottom-up

24 L approche Top -down Machines à calculer Micro-mécanique Micro-fluidique Transducteurs

25 Machines à calculer

26 2004 Le transistor, Bell Labs «Nanotech»-transistor 1 nm «Nanomaterial» Transistor

27 LA LOI DE MOORE (FORMULEE EN 1965!) Le nombre de transistors que l'on peut intégrer double tous les 18 mois

28 Machines mécaniques Micro-mécanique 1 cm Jouet, 1870 Mini-robot, 2000

29 P. Boyer (1965): ATP-Synthase est un moteur macromoléculaire machine-macromoléculaire 20 nm P. Boyer, 1997

30 Micro-Transducteur M. Roukes, Caltech

31 L approche bottom-up? Un tas d atome

32 Manipulation d un atome avec la pointe d un STM

33 Dans un piège 3D avec un atome ou une molécule froide

34 2 atomes de Ba froids dans un piege optique (IBM almaden) G. Rempe, Nature 1999

35 L approche bottom-up Nanomatériaux Nouveaux matériaux Bottom-up

36 Rapport OFTA 2001

37 Performances des engins intégrant des nanomatériaux - Résistance mécanique - Consommation d énergie - Taille -Poids - Vitesse de décision - Invisibilité - Sécurité - Avions, bateaux, satellites - Drones - calculateurs - mémoires -Visualiseurs - Transmetteur/récepteurs - Capteurs - Protecteurs (vêtements)

38

39 Nœud en nanotube de carbone, P. Poulin (CRPP) 1 mm

40 Auto-Assemblage Nanocubes de Fer auto-assemblés (7 nm de côté) F. Dumestre, B. Chaudret, C. Amiens, P. Renaud, P. Fejes Science, 2004, 303, 821.

41 USJ Gate USJ Source Drain nm 2020? Nanomateriaux pour la microelectronique

42 Le graphène pour l électronique

43 Bottom-up 1 nm Rester en bas Nanosciences Technologie à l échelle atomique

44 GNS

45 - Mécanique -Calculateur - Communication - Transduction

46 Calculer avec une molecule?

47

48 Un circuit électronique dans une seule molécule? F.L. Carter, NRL

49 AND logic gate inside a single molecule S. Ami, M. Hliwa and C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 367, 662 ( 2003)

50 Assurer la mutation du classique au quantique La mutation vers l utilisation des ressources quantique

51 Mécanique unimoléculaire?

52 Un pinion moléculaire tagé N N

53 0 deg reference point Manipulations are performed always starting from the center of the molecule moving parallel to the island border, with a length equal to a molecular radius.

54 60 deg step to stable position

55 60 deg halfstep to unstable position

56 0 deg halfstep (sliding) to stable position

57 60 deg step to stable position

58 60 deg step to stable position

59 60 deg step to stable position

60 60 deg halfstep to unstable position

61 0 deg halfstep (sliding) to stable position

62 Une charrette à bras moléculaire 1.8 nm Surf. Sci. Lett., 584, L153 (2005) Image LT-UHV STM

63 Une nano voiture moléculaire?

64 James Tour, Rice University Houston, TX Premières images STM de la nano-voiture

65 Assembleur

66 ff FU Berlin L aspirateur moléculaire

67 L'ASPIRATEUR A ATOMES "Paquet" de 6 atomes Ramassage des atomes de cuivre "en trop" sur une surface de cuivre CEMES-CNRS + Freie Universität Berlin

68 Et le spatial? Nano-medecine Charges utiles Moyens de calcul et de commmunication Production La vie ailleurs Normalisation Enseignement

69 Nano-medecine

70 R. McKendry et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 99 (2002)

71 Proteomics

72 0.1 mm micro-sous marin dans le corps humain

73 Globule rouge artificiel

74 Détails du globule par G. Freitas

75 Réparateur d ADN

76

77

78

79 Charges utiles Horloge atomique

80 Horloge atomique J. Kitching Puce à atomes NIST mw, 1s/300 ans Vapeur de Rb

81 Atom Chip Quantum processor (IST ) Une puce à atomes J. Schmiedmayer Univ. Heidelberg 1 cm

82 Projet FAMARS First Atomic Force Microscope on Mars Nanosurf (-122 à+22 )

83 Moyens de calcul et de communication

84 1 campagne de mesure: 50 Goctets de données Calcul et model miniature

85

86

87 1997: proposition d ascenseur spatial

88 Ascenseur spatial?

89 Téleportation d états quantiques Fiction Cercle Europeen d Etude et de developpement de la teleportation Réalité

90 Production

91 Robot uni-moléculaire d assemblage et de nettoyage Biospace mission Cité de l espace, Toulouse

92 Nanorex Californie Peut-on vraiment construire de telles machines?

93 La vie ailleurs

94 Science, 1997

95

96 «nanno-fossiles terrestres» Nannofossils, Jurassic (1 mm x 2 mm) Dinoflagellate cyst. (100 μm x 70 μm)

97 1 μm Kajander & Ciftcioglu PNAS, 1998

98 Van der Waals Electrostatic Coulomb Capillary Chemical Forces

99 Cellule vivante

100 Single strand DNA

101 Et le spatial? Nano-medecine Charges utiles Moyens de calcul et de commmunication Production La vie ailleurs Normalisation Enseignement

102 nano méso micro Machines Procédés Matériaux Composants Technologies Sciences 1 pm 1 nm 1 μm 1 mm

103 - Merci pour votre attention -

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