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).
Echelle de longueur
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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Fabrication
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.
Sigle IBM
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 descendante: Cette technique consiste à partir d'un objet d'origine que l'on taille, que l'on sculpte, de telle façon que l'on obtienne à la fin un objet plus petit et de taille nanométrique. C'est cette méthode qui est utilisée pour les microprocesseurs d'ordinateurs ou de téléphones. Les transistors sont gravés par lithographie. On commence par empiler plusieurs galettes de silicium que l'on recouvre d'une couche de résine photosensible (sensible à la lumière). On place sur la lumière du microscope un cache qui ne laisse apparaître sur la résine que la marque des futurs transistors (jeu d'ombre et de lumière). On grave alors les différentes couches de silicium selon le modèle voulu. Avant de graver les transistors on enlève la couche de résine. On établit alors les relations entre les transistors pour permettre le fonctionnement du microprocesseur. La gravure s'effectue à l'aide de laser dont la longueur d'onde appartient au domaine de l'ultraviolet (inférieur à 400 nm) ce qui a pour but d'améliorer la résolution soit la précision de la gravure qui est passé de 90 nm en 2004 à 32 nm aujourd'hui (2009). On envisage désormais de graver à une résolution de 22 nm. Selon Intel, leader dans la production de microprocesseurs, la limite physique de 5 nm sera atteinte en 2018. Cela constitue la limite car en dessous de celle-ci, les courants électriques circulant entre les transistors seraient difficilement contrôlables.
La voie ascendante: Cette technique consiste à assembler plusieurs particules de très petites tailles, n'existant pas dans la nature, pour former un objet de taille nanométrique. On utilise la technique de l'auto-assemblage. On place les particules à proximité d'un gaz avec lequel elles interagissent. Ainsi, chacune se place une endroit précis, forcée par ses propriétés chimiques (connues puisque la particule a été fabriquée en laboratoire).
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.
Intérêts
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.
Applications
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.
Le secteur électronique: L'essor des nanotechnologies a un fort impact sur l'électronique. La miniaturisation de la microélectronique arrive effectivement devant un mur. La seule façon de continuer à miniaturiser passe par le recours à la nanotechnologie. Ainsi, en informatique, Gordon Moore, cofondateur d'Intel, estimait en 1965 que le nombre de transistor par unité de surface dans les circuits intégrés doublerait tous les 12 mois. Cette prédiction, faite à un moment où les circuits comptaient une trentaine de composants, est valable depuis 40 ans. En réalité, le rythme s'est un peu ralenti et on associe désormais la loi de Moore à une période de 18 mois. Remplacer le transistor classique par une molécule chimique ou biologique mille fois plus petite, fonctionnant comme un interrupteur de courant électrique, permettrait de fabriquer des ordinateurs miniatures, plus rapides, moins chers et consommant beaucoup moins d'électricité.
Le secteur spatial: Une des caractéristiques essentielles des technologies spatiales est la course à la légèreté. Connaissant le coût des envois et des vols, faire plus avec moins de poids et dans un plus petit volume est devenu une nécessité. Ainsi, des nano-ordinateurs contrôlant des véhicules autonomes et intelligents, des nano-détecteurs pour mesurer les conditions de température et de pression, et des nanomachines comme les nanomoteurs ou les nanopropulseurs sont actuellement étudiés.
Le secteur du développement durable: Les recherches sont axées sur la mise au point de procédés industriels et de technologies non-polluantes. Un des points clés du développement durable est l'économie d'énergie, plus un élément est petit, plus l'énergie pour sa manipulation est réduite. Par exemple, pour faire tourner un disque à un vitesse angulaire (mesure de vitesse de rotation en rad/s) donnée, il faut 100 000 fois moins d'énergie lorsque ses dimensions diminuent d'un facteur 10. La miniaturisation grâce aux nanotechnologies parait donc être une piste de recherche intéressante. D'autres applications sont aussi envisagées comme la conception de pièges nanostructurés pour éliminer les polluants provenant des rejets industriels, ou bien de capteurs minuscules susceptibles de repérer une pollution atmosphérique, ou encore de membranes sélectives capables de filtrer les contaminants.
Caricature de la nanofoodLe secteur alimentaire: Les « nanofoods » ont droit à une conférence annuelle qui réunit les chercheurs du domaine. La dernière a eu lieu en juin 2008 à Los Angeles et a permis de découvrir que le marché existait bel et bien. Certains produits son déjà commercialisés : l’huile active de Shemen Industries inhibe l’entrée du cholestérol dans le sang, le chocolat de RBC LifeSciences a le goût de l’original mais sans excès de sucre, et le substitut alimentaire Nanotrim de Nanonutra que le corps reconnaît comme de la nourriture brûle les graisses. Ce n’est pourtant qu’un début car nous apprenons par ailleurs que les nanofoods devraient permettre de créer des glaces ayant le goût des glaces traditionnelles tout en étant totalement dépourvues de lipides et de sucre, et des sauces dont on pourrait se servir abondamment sans craindre de grossir. Mieux encore, certains chercheurs affirment pouvoir modifier à volonté le goût d'un aliment. Un concombre pourrait donc prendre un goût de tomate !
Le secteur médical: De nombreuses recherches sont actuellement menées dans le domaine de la santé afin de disposer d’outils de prévention, de diagnostic ou de traitement, rapides et adaptés. Plus d'une centaine de médicaments incluent déjà des nanotechnologies notamment dans le traitement contre le cancer ou les maladies hépatiques. Trois domaines de la médecine sont concernés : le diagnostic, la recherche de nouveaux médicaments et l'amélioration de leurs performances, et la médecine régénérative. C'est dans le secteur du diagnostic que les applications industrielles sont les plus proches. Le prototype est la puce à ADN. Les laboratoires sur puce sont également l'objet d'une miniaturisation toujours plus poussée. Sur des surfaces de quelques centimètres carrés, on rassemble toutes les étapes du diagnostic, depuis le traitement de l'échantillon jusqu'au rendu du résultat. Il y a aussi le développement de l'imagerie moléculaire. Cette technologie permet une détection de plus en plus précoce et précise des tumeurs. Au-delà du diagnostic, les nanotechnologies vont également avoir un impact sur le développement de nouvelles approches thérapeutiques. Elles permettent notamment aux médicaments de mieux atteindre leur cible. La médecine régénérative est le troisième grand champ d'application des nanotechnologies. Elle vise à intervenir, à l'échelle de la cellule ou de la molécule, dans un but préventif ou curatif. L'évolution de l'ingénierie tissulaire vers des matériaux hybrides alliant nanostructures et cellules vivantes pour remplacer les tissus défaillants, pourrait y occuper une place de choix.
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.
