*V3 NANOSCIENCES et NANOTECHNOLOGIES

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1 *V3 NANOSCIENCES et NANOTECHNOLOGIES La physique et la chimie ont depuis longtemps étudié et manipulé des objets de taille nanométrique. La nouveauté consiste à contrôler et à organiser directement la matière dans ses propriétés chimiques, physiques et morphologiques voulues. Ceci a été rendu possible grâce la découverte de microscopes de plus en plus puissants et précis, qui ont permis l observation, voire la manipulation d objets d échelle atomique comme des agrégats, des structures moléculaires complexes, voire des atomes individuels Le progrès économique et environnemental de notre société dépend du développement de matériels ou de systèmes à haute performance ; Des économies d énergie sont prévisibles à partir de composites ou alliages légers, de revêtements minces antifriction, de moteurs plus performants et moins polluants dans le domaine de l automobile, de composants plus résistants ou isolants, d éclairage basse consommation, dans le domaine de l habitat. Les diagnostics et les traitements médicaux pourront être améliorés par les nouveaux outils nanométriques de mesure, de visualisation, de vectorisation de médicaments, aidés par des analyses mathématiques de très larges bases de données complexes. Dans le domaine de la physico-chimie appliquée aux procédés industriels ou naturels, de nouveaux procédés de catalyse permettront de réduire la pollution, de l air, de l eau, et des sols par différents polluants, des mesures permettront d assurer suivi et alarmes en vue d une meilleure protection. Dans le domaine de l information et de la communication, la sécurisation et la dispersion (mobiles) pourront être réalisées : de nouveaux paradigmes de comportements sociaux, économiques et de cognitique humaine en résulteront. Il faut constater que les démarches scientifiques fondamentales d une part et les mises au point technologiques d autre part, s enrichissent mutuellement au niveau nanométrique comme cela n existait pas vraiment dans les démarches du passé entre science et technique. Il est apparu qu au cours de la construction par la Nature de la matière vivante ou non, depuis la frontière quantique jusqu aux ensembles les plus macroscopiques planétaires, au moins, l étape nanométrique apparaît prépondérante : la découverte du langage des forces de la Nature, à cette échelle, permettra progressivement le choix de nouvelles applications, dont on verra ci-après quelques exemples, prévisibles ou non, il restera à l humanité de les exploiter raisonnablement. Si les efforts de recherche et d innovation absolument nécessaires, sont rapidement réalisés, les nanotechnologies peuvent devenir un champ exemplaire de développement scientifique et technique essentiel, à la fois, responsable, transparent, réalisable, consensuel et durable, bénéfique pour l ensemble de nos activités (Homme et Environnement )et une nouvelle grande ouverture au monde qui nous entoure. Beaucoup de commentaires faits dans les media ne concernent pas les nanotechnologies, mais plutôt les applications récentes surtout en micro-électronique : capteurs embarqués, marqueurs, «smart dust «, téléphones portables, fichiers informatiques, etc., de plus en plus performants et de volumes réduits : mais ces éléments sont plutôt des assemblages millimétriques de composants micrométriques : la question des nanotechnologies est beaucoup plus vaste. L objet de la présente note est de donner au lecteur peu averti les notions lui permettant de comprendre et d évaluer les enjeux qui s attachent au progrès des nanosciences et à la mise en œuvre des nanotechnologies. 1

2 DÉFINITIONS DÉFINITION DES NANOSCIENCES C est l ensemble des recherches ayant pour objectif la synthèse et l étude de nano-objets doués de propriétés (physiques, chimiques ou biologiques), ainsi que la découverte de méthodes d assemblage permettant d accéder à des nanomatériaux et celle des méthodes d organisation qui permettront d aboutir aux matériaux adaptatifs (ou intelligents). En ce sens les nanosciences visent à connaître et comprendre les cheminements par lesquels la matière, inerte ou vivante, s organise par auto-assemblage à l échelle des structures moléculaires, des agrégats plus ou moins complexes d atomes, des atomes eux-mêmes. DÉFINITION DES NANOTECHNOLOGIES C est l ensemble des savoir-faire qui permettent de travailler à l échelle moléculaire pour organiser la matière, brique par brique, jusqu à l échelle courante.. Elles constituent un champ de recherches et développements technologiques impliquant la fabrication de structures, de dispositifs et de systèmes à partir de procédés permettant de structurer la matière au niveau atomique, moléculaire ou supramoléculaire, à des échelles de 1 à 100 nanomètres. (1 nanomètre = un millionième de millimètre). On notera deux caractères fondamentaux des nanosciences et des nanotechnologies : - la montée des transversalités scientifiques et technologiques : du fait des procédés expérimentaux quelles mettent en œuvre, les découvertes dans le nanomonde sont très liées au développement de la technologie qui lui est dédiée - aux échelles concernées, nous pénétrons nécessairement dans un des champs d application de la physique quantique : quand on parcourra, dans un but descriptif ou prospectif, le champ des technologies anciennes et nouvelles, du monde familier au nanomonde ou inversement, il faudra se rendre maître des difficultés afférentes à la transition entre mécanique classique et mécanique quantique. RÉFÉRENCES SOMMAIRES Plan nanomatériaux, DGE, Minefi ; liste organismes concernés : National Nanotechnolgy Initiative R&D Program, Sept.1990, Washington DC ( Nanosciences, Nanotechnologies : Acad.des Sciences, Acad. des Technologies, Rapport RST N 18 Commission de Normalisation Nanotechnologie AFNOR et son prolongement ISO : groupes de travail en cours ( Programmes européens : ECCO, Nanosafe, NanoSciences ERA NET,.. (voir : ) Divers Organismes actifs : OMNT, R3N, EPE, INERIS, (voir :Comité Nanotechnologies CNISF Europe : 2

3 BASES PHYSIQUES NANOMÉTRIQUES Au niveau nanométrique de nouveaux phénomènes physiques apparaissent : certains sont de nature quantique, d autres imprévus sont spécifiques à cette échelle métrique. Ils apparaissent pourtant comme essentiels dans le matériel biologique, avec l existence de complexes supramoléculaires d ADN. Dans le domaine minéral la petitesse des cristaux leur confère des propriétés électroniques et magnétiques particulières (quantum dots, nanotubes de carbone, feuilles de graphène, ) ; par ailleurs le spin des électrons fait l objet d études et de développement d applications particulières. Le rapport surface /volume, favorable à la réactivité physique ou chimique, n apparaît plus comme prépondérant, la morphologie joue un très grand rôle. Ainsi de nombreuses lois de simulations pour les colloïdes par exemple sont à revoir, une nouvelle catalyse peut émerger, de nouveaux milieux poreux construits. Depuis la molécule jusqu aux assemblages massifs composites hybrides ou non les propriétés photoniques sont découvertes. Le comportement dynamique des objets et systèmes nanométriques reste à approfondir : certains aspects de la nanothermodynamique s y emploient. Ainsi quels potentiels à prendre en compte? ; quelles forces à courte distance interviennent-elles? ; quelles relations espace-temps en attoscience? ; quel dressage possible des spins d électrons? ; quels échanges énergétiques dans les mitochondries des cellules vivantes? ; quel bilan exergétique possible pour des PAC? ; En particulier la nanoconstruction ( de type bottom-up en nanoélectronique) présente une spécificité nouvelle à partir de germes physiques ou d autres nanoparticules, organiques comme des brins d ADN ou des virus, de nouveaux nano-éléments, isolés lors de leur conception et fabrication, seront pratiquement associés à d autres éléments pour construire des structures de fonctionnalités voulues. Les connaissances scientifiques nécessaires pour mener à bien cette nanoconstruction permettront au passage de mieux connaître les phénomènes réels en présence à cette échelle où tout se construit et ainsi de résoudre quelques points «durs» non encore élucidés. Ainsi après le microscope optique qui nous a permis d observer les microorganismes vivants ou des très fines lithographies naturelles ou artificielles, le microscope électronique, avec lequel on a pu aborder la microstructure des matériaux solides ou des assemblages de diverses grosses molécules, les derniers microscopes à effet tunnel et à force atomique, réalisés grâce à des progrès en manipulation mécanique - (piezo-électrique), complétés au besoin par des dispositifs optiques ont permis de voir, d organiser donc de prévoir des constructions à l échelle atomique (et aussi d autres instruments dans le domaine magnétique). De plus des approches complémentaires existantes ont été approfondies en visualisation et simulations mathématiques au bénéfice de l observation des phénomènes et de leur comportement dynamique à l échelle nanométrique. L observation du monde réel nous est ainsi grandement facilitée par les nouveaux outils mis au point à cette échelle. 3

4 La compréhension des phénomènes physico-chimiques présents dans la nature, leur capacité de structuration en vue de fonctions opérationnelles définies, peut découler de ces examens. Le physico-chimiste qui a manipulé auparavant des objets de taille nanométrique peut désormais contrôler l organisation de la matière en termes de propriétés chimiques, de propriétés physiques et de morphologie. LES RISQUES LIÉS AUX NANOTECHNOLOGIES S il devait découler un jour de l usage des nanotechnologies des nuisances nouvelles, ceci résulterait, comme toujours, des abus, des applications perverses, de l ignorance, de la volonté de nuire ceci fait partie de l histoire des techniques nouvelles. Les précautions à prendre pour éviter les éventuels dangers dus à de nouveaux nano-éléments dont la nocivité est connue ou, généralement inconnue, concernent seulement les ateliers de fabrication des nouvelles briques élémentaires (surtout nanoparticules),qui devront être strictement confinés. Dans ce cas des guides de bonnes pratiques concernant la manipulation des nano-éléments anciens ou nouveaux, sont en cours d élaboration, en même temps que leur normalisation est lancée au niveau mondial pour répondre à ces préoccupations. De plus, lors de l utilisation de nano-éléments incorporés intimement dans des matrices ou des microsystèmes ( en nanoélectronique par exemple), le relargage dans la nature ne devrait pas se produire : mais une attention particulière devra être portée en fin de vie et en recyclage. LES INSTRUMENTS AU SERVICE DES NANOTECHNOLOGIES LES OUTILS UTILISÉ Microscope à effet tunnel ( Scanning Tunneling Microscope STM-), basé sur la densité électronique locale Microscope à force atomique (Atomic Force Microscope AFM-) pour l observation et la prise en main des surfaces Microscope optique en champ proche (Scanning Near Field Optical Microscope SNOM-), combinant imagerie et Spectroscopie (effet Raman, EELS-energy losses, ptychography - rayons X sans lentille) Nanoindentation, utiles aux mesures de structure, de réactivité chimique, de transport électronique, d optique non linéaire, de magnétisme d objets nanométriques pour réaliser synthèse et compréhension des phénomènes en vue de futures approches scientifiques ou d applications ciblées. Puces optiques et électroniques pour mesures en milieu vivant, accompagnées ou non de dispositifs microfluidiques extérieurs ou non, de tri et de manipulation, LES MODÈLES ET LA SIMULATION Modèles ab initio pour une représentation complète des relations structure-propriétés des cristaux par exemple 4

5 Calculs de dynamique moléculaire, programmation algorithmique moléculaire représentative de l autoconstruction chimique Modélisation d observation de phénomènes par divers procédés comme les algorithmes génétiques, les réseaux de neurones artificiels EXEMPLES D APPLICATIONS EN BIOLOGIE Détection d objets biologiques micro ou nanométriques par des capteurs physico-chimiques, conduisant aux diagnostics (puces) et perfectionnements des moyens de visualisation actuels (type IRM) par adaptation temporelle dynamique au cours de l examen. Actions curatives par l introduction de nano-structures dédiées, (vectorisation de médicaments) pour agir sur des structures biologiques pathologiques (cancers) Actions de rectification de comportements pathologiques au niveau cellulaire lui-même par introduction de nano-structures au travers du matériel intracellulaire agissant sur le déroulement biologique moléculaire (nanorobots ) ou extra cellulaires (nanoprothèses : comme vision artificielle). En neurologie, représentation par calcul numérique de la combinatoire neuronale, les mesures et stimulation par nano-électrodes en vue d études poussées en électrophysiologie globale. Visualisation du comportement des synapses par Q-Dots ou molécules fluorescentes. EN MÉCANIQUE, ÉNERGIE, MATÉRIAUX Fabrication de microlaser et d autres appareils de micro-optiques Fabrication de nouveaux catalyseurs, Suivi par nanocapteurs des processus de chimie douce, de dépôts de couches minces, des échanges en PAC, des réactions enzymatiques, de rémédiation dans des milieux complexes, de dépollution des eaux et de l air. Fabrication de nanomatériaux solides homogènes ou non présentant des propriétés mécaniques, optiques, biomimétiques,..améliorées utiles en fabrication de Textiles, de Cosmétiques, de Céramiques, et d éléments de construction en moyens de Transport, en Bâtiments, et de composants de lutte contre les nuisances environnementales. Fabrication de matériaux de surface fonctionnalisés pour catalyse ou mesures spécifiques biologiques. Fabrication de matériaux complexes optico-électroniques pour capture de l énergie photo-voltaique Amélioration en précision et en rapidité d appareils d imagerie et de spectroscopie. EN INFORMATION ET COMMUNICATION Codage par électronique de spin (spintronics) Fabrication de Sources très haute fréquences Mise au point d éléments quantiques pour détection ou émission infra rouge (vision de nuit ou détection chimique ou mécanique) 5

6 Représentation de systèmes de systèmes par calcul ultra rapides ( phénomènes dynamiques en physique, en biologie, en information de crises) Molécules ou nano-tubes de carbone pour nanotransistors, pour composants électroniques : de consommation réduite, multi tâche, de large bande passante, permettant l émergence d une société de connaissance et implantables en biologie 6