Le mot nanotechnologie vient du préfixe nano- qui signifie en grec nain ou très petit. Le nanomètre (noté nm) correspond à un milliardième de mètre soit en écriture mathématique 10-9 mètre. A l'échelle du vivant, un nanomètre équivaut environ à la taille d'une molécule telle que la molécule d'ADN par exemple. On peut également dire qu'un nanomètre est 500 000 fois plus petit qu'un trait de stylo bille et 30 000 fois moins épais qu'un cheveu. Le nanomètre, bien qu'étant petit, n'appartient tout de même pas au domaine de l'infiniment petit, la molécule étant constitué d'atomes (0,1 nm) eux-mêmes constitués d'un noyau, entouré d'un nuage d'électrons, et contenant des protons et des neutrons (la taille des électrons, des protons et des neutrons est de l'ordre de 10-15mètre). A l'inverse, le diamètre du Soleil valant environ 109m n'appartient pas non plus à l'infiniment grand (une galaxie est beaucoup plus grande).
Sur la Terre, deux types de lois physiques régissent l’ensemble des mouvements et des réactions de la matière : les lois classiques, que nous connaissons, et les lois quantiques. Ces deux lois s’appliquent constamment mais en fonction de l’échelle où l’on se situe (échelle humaine, échelle nanométrique, échelle des particules élémentaires comme les électrons par exemple), l’une ou l’autre est majoritaire.
L’échelle du nanomètre se situe à la limite entre le changement de lois physiques dominantes. Au-dessus du nanomètre, les lois physiques « classiques » sont majoritaires et les effets de la physique quantique sont très faibles. En dessous du nanomètre, la physique quantique se manifeste majoritairement et la physique classique est minoritaire. C'est pourquoi, au niveau du nanomètre, de nombreuses réactions totalement différentes de celles qui se passent à l'échelle que nous connaissons nous, les humains, se réalisent. Ainsi, les propriétés chimiques, électriques ou encore magnétiques des éléments nanométriques ne sont pas les mêmes que celles que ces éléments auraient eu si ils étaient de taille macroscopique (échelle de l'homme, observable à l'œil nu).
De plus, lorsqu'un objet perd de sa taille, le rapport entre sa surface et son volume augmente. Concrètement, cela signifie que sa surface diminue moins vite que son volume. A une taille nanométrique, les objets seront donc beaucoup plus réactifs aux éléments extérieurs et les réactions chimiques ou autres seront donc plus nombreuses et plus intenses.
Par exemple, pourquoi coupe-t-on un steak pour le refroidir ? Le couper en morceaux ne change pas la quantité de viande présente dans notre assiette, mais la surface totale de ces petits morceaux est beaucoup plus importante que celle de la tranche initiale. Les échanges de chaleur avec l'air ambiant augmentent et la viande refroidit ainsi plus vite. Si un pavé de viande de 5 cm de coté se refroidit en 100 secondes, une fois coupé en morceaux de 500 nm de côté, il se refroidirait en 1 milliardième de seconde.
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L'aventure nanotechnologique débute en 1981 quand deux chercheurs d'IBM Suisse, Gerd Binning et Heinrich Roher, inventent le microscope à effet tunnel (ou STM en anglais: Scanning Tunneling Microscope). Ce microscope grossit tellement l'image que l'échelle nanométrique est désormais observable. Le microscope reçoit des tensions électriques de la part de l'objet observé ce qui lui permet de retracer les contours avec une résolution de 0,2 nm. Les deux chercheurs seront recomposés cinq années plus tard lorsqu'ils reçurent communément le prix Nobel de physique.
Mais, en 1990, une nouvelle fois dans les laboratoires d'IBM, le microscope à force atomique (AFM en anglais) est inventé. Reconstituant l'image à l'aide d'un laser et un miroir, l'AFM permet de manipuler et d'assembler des nanoparticules en mouvement et à l'air libre. En déplaçant les atomes un à un, les chercheurs d'IBM ont pu écrire les trois lettres IBM en assemblant 35 atomes de xénon sur une plaque de nickel.
Grâce à ces deux découvertes la fabrication d'éléments nanotechnologiques a pris un nouveau tournant. On compte d'ailleurs aujourd'hui deux techniques pour fabriquer des éléments nanotechnologiques: la voie descendante ou top-down ou la voie ascendante ou bottom-up.
La voie ascendante, la plus prometteuse, n'en est encore qu'au stade expérimental alors que la voie descendante a déjà fait ses preuves dans l'industrie.
L'importance plus grande de la surface au niveau nanométrique intéresse tout particulièrement les chercheurs. Cette différence par rapport au monde macroscopique permettrait la création de technologies innovantes dans de nombreux domaines à condition d'apprendre à connaître le monde des nanotechnologies, fait de nombreuses inconnues à cause du changement de lois physiques. Le domaine de recherche est vaste mais les progrès quasi quotidiens des sciences peuvent laisser entrevoir un avenir radieux.
La miniaturisation, nécessaire pour fabriquer les nanotechnologies, présente en effet des avantages considérables et a déjà permis, notamment en informatique ou plus généralement en électronique, un progrès immense. Nos ordinateurs sont tous faits de microprocesseurs. Mais ce qui a permis le développement si fulgurant de l'informatique, est que les chercheurs sont parvenus sur la même surface à mettre près d'un millions de fois plus de transistors: en 1971, le premier microprocesseur d'Intel, appelé 4004, contenait 2300 transistors alors qu'en 2010, l'Intel Core i7 en a 1 170 000 000. Autre exemple, les téléphones portables, aujourd'hui capables de tenir dans une poche de pantalon, étaient autrefois accompagnés d'une imposante boîte. Là aussi, la miniaturisation a fait des merveilles et a permis de rendre pratique le téléphone portable et donc de permettre sa diffusion massive.
La miniaturisation présente donc avant tout un avantage pratique. Selon certains spécialistes, la Bibliothèque Nationale de France pourrait en 2015 être entièrement contenue sur un microprocesseur. Le transport des éléments miniaturisés est plus aisé. Mais, les intérêts ne s'arrêtent pas là. La perte de volume entraîne nécessairement une perte de masse. L'objet consommera également moins d'énergie, ce qui représente un aspect intéressant au vu des applications possibles et de la tendance des objets à basse consommation (les ampoules, par exemple). La miniaturisation permet aussi une baisse du prix du produit.
Grâce aux changements de lois physiques, les matériaux tels que nous les connaissons à notre échelle réagissent différemment à l'échelle nanométrique. Ainsi, les métaux, pourtant réputés pour leur grande conductibilité, deviennent dans le nanomonde des semi-conducteurs (élément qui conduit l'électricité mais plus difficilement qu'un conducteur) et parfois mêmes des isolants. Des objets de couleur bleue peuvent devenir rouge, le jaune pourrait devenir vert. Des éléments, comme le cuivre, pourraient devenir malléable et flexible comme du caoutchouc. Le carbone devient à l'échelle nanométrique cinq fois plus dur que l'acier et pourtant, il est étonnamment six fois plus léger faisant de lui l'élément le plus léger jamais découvert par l'Homme.
Le nanomonde, c'est un monde révolutionnaire où des matériaux jusqu'alors peu utilisés deviennent indispensables; c'est un monde où il serait possible de rendre les matériaux meilleurs en profitant de leurs nouvelles caractéristiques. De nouvelles perspectives s'ouvrent alors à la science ce qui révolutionnerait notre vie quotidienne dans de nombreux domaines.
Le marché mondial des nanotechnologies, encore dans sa phase d'émergence, est estimé en 2001 à 40 milliards d'euros. En 2010-2015, les enjeux économiques liés à l'avènement des nanotechnologies atteindraient 1000 milliards d'euros. Il faudra encore du temps pour ressentir les effets des nano-objets, leur banalisation est prévue pour 2015. Mais leur impact est déjà mesurable dans certains domaines. Si notre vie de tous les jours ne s'en ressent pas vraiment, les applications des nanotechnologies sont déjà parmi nous. Des centaines de produits les utilisant sont déjà sur le marché. On peut rencontrer des nanotechnologies dans les verres auto-nettoyants, les lunettes de soleil filtrantes, les déclencheurs d'airbag ou encore dans les pneumatiques. Les nanotubes de carbone servent déjà à renforcer les raquettes de tennis, les balles de golf et les cadres de vélo. Le symbole de la naissance de la nano-industrie est l'annonce de Motorola, le 9 mai 2005, d'un prototype d'écran fabriqué à partir de nanotubes de carbone. Pour les experts, ce type d'écran sera certainement le premier marché de masse des nanotechnologies.
La plupart des applications sont toutefois encore à l'état d'étude. Elles se répartissent en 5 principaux champs d'application.
Lors de ce TPE, nous avons choisi de nous intéresser au domaine médical, et plus particulièrement aux apports des nanotechnologies dans la lutte contre le cancer et la maladie d'Alzheimer. Le cancer est devenu la première cause de mortalité en France, et la mortalité due à la maladie d'Alzheimer a connu une très forte progression de l'ordre de 35% en 25 ans. Ces deux maladies qui présentent une très forte avancée nous ont donc paru un sujet intéressant à étudier.