Nano-sciences, Nano-technologies Nano-materiaux C. Joachim et X. Bouju
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
Un peu d histoire 1911
1932: Le microscope électronique E. Ruska
1953: Le microscope ionique de champ E.W. Muller
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)
1960: Lithographie par faisceau d électrons G. Mollenstedt and R. Speidel, Phys. Bl., 16, 192 (1960)
1968 1968
1972 J.Monod
1974
1 nm = 0. 000 000 001 m
1981: Le microscope à effet tunnel G. Binnig H. Rohrer
Principe du Microscope à effet tunnel (STM) G. Binning & H.Rohrer, 1981
0.2 nm
1986 E. Drexler
1988
1990 D. Eigler
2000
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.
NNI Final, December 2003
MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER MINIATURISER
Top- down Nanotechnologies miniaturisation Nanomatériaux Nouveaux matériaux 1 nm Rester en bas Nanosciences Technologie à l échelle atomique Bottom-up
L approche Top -down Machines à calculer Micro-mécanique Micro-fluidique Transducteurs
Machines à calculer 1642 1880-1960 1974
2004 Le transistor, Bell Labs 1947 1998 «Nanotech»-transistor 1 nm «Nanomaterial» Transistor
LA LOI DE MOORE (FORMULEE EN 1965!) Le nombre de transistors que l'on peut intégrer double tous les 18 mois
Machines mécaniques Micro-mécanique 1 cm Jouet, 1870 Mini-robot, 2000
P. Boyer (1965): ATP-Synthase est un moteur macromoléculaire machine-macromoléculaire 20 nm P. Boyer, 1997
Micro-Transducteur M. Roukes, Caltech
L approche bottom-up? Un tas d atome
Manipulation d un atome avec la pointe d un STM
Dans un piège 3D avec un atome ou une molécule froide
2 atomes de Ba froids dans un piege optique (IBM almaden) G. Rempe, Nature 1999
L approche bottom-up Nanomatériaux Nouveaux matériaux Bottom-up
Rapport OFTA 2001
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)
Nœud en nanotube de carbone, P. Poulin (CRPP) 1 mm
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.
USJ Gate USJ Source Drain 2010 20 nm 2020? Nanomateriaux pour la microelectronique
Le graphène pour l électronique
Bottom-up 1 nm Rester en bas Nanosciences Technologie à l échelle atomique
GNS
- Mécanique -Calculateur - Communication - Transduction
Calculer avec une molecule?
Un circuit électronique dans une seule molécule? F.L. Carter, NRL
AND logic gate inside a single molecule S. Ami, M. Hliwa and C. Joachim, Chem. Phys. Lett., 367, 662 ( 2003)
Assurer la mutation du classique au quantique La mutation vers l utilisation des ressources quantique
Mécanique unimoléculaire?
Un pinion moléculaire tagé N N
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.
60 deg step to stable position
60 deg halfstep to unstable position
0 deg halfstep (sliding) to stable position
60 deg step to stable position
60 deg step to stable position
60 deg step to stable position
60 deg halfstep to unstable position
0 deg halfstep (sliding) to stable position
Une charrette à bras moléculaire 1.8 nm Surf. Sci. Lett., 584, L153 (2005) Image LT-UHV STM
Une nano voiture moléculaire?
James Tour, Rice University Houston, TX Premières images STM de la nano-voiture
Assembleur
031007.1828ff FU Berlin L aspirateur moléculaire
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
Et le spatial? Nano-medecine Charges utiles Moyens de calcul et de commmunication Production La vie ailleurs Normalisation Enseignement
Nano-medecine
R. McKendry et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 99 (2002) 9783-9788
Proteomics
0.1 mm micro-sous marin dans le corps humain
Globule rouge artificiel
Détails du globule par G. Freitas
Réparateur d ADN
Charges utiles Horloge atomique
Horloge atomique J. Kitching Puce à atomes NIST 2004 75 mw, 1s/300 ans Vapeur de Rb
Atom Chip Quantum processor (IST 2001-38863) Une puce à atomes J. Schmiedmayer Univ. Heidelberg 1 cm
Projet FAMARS First Atomic Force Microscope on Mars Nanosurf (-122 à+22 )
Moyens de calcul et de communication
1 campagne de mesure: 50 Goctets de données Calcul et model miniature
1997: proposition d ascenseur spatial
Ascenseur spatial?
Téleportation d états quantiques Fiction Cercle Europeen d Etude et de developpement de la teleportation Réalité
Production
Robot uni-moléculaire d assemblage et de nettoyage Biospace mission Cité de l espace, Toulouse
Nanorex Californie Peut-on vraiment construire de telles machines?
La vie ailleurs
Science, 1997
«nanno-fossiles terrestres» Nannofossils, Jurassic (1 mm x 2 mm) Dinoflagellate cyst. (100 μm x 70 μm)
1 μm Kajander & Ciftcioglu PNAS, 1998
Van der Waals Electrostatic Coulomb Capillary Chemical Forces
Cellule vivante
Single strand DNA
Et le spatial? Nano-medecine Charges utiles Moyens de calcul et de commmunication Production La vie ailleurs Normalisation Enseignement
nano méso micro Machines Procédés Matériaux Composants Technologies Sciences 1 pm 1 nm 1 μm 1 mm
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