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Guillaume &
Mikajoh

Les nanotechnologies

empreinte

Les nanosciences et nanotechnologies (du grec νάνος, nain), ou NST, peuvent être définies comme l’ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures (électroniques, chimiques, biologiques…), de dispositifs et de systèmes matériels à l’échelle du nanomètre (nm), ce qui correspond à la distance entre deux atomes. 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 10-15 mètre).

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Extrémité d'un nanotube de carbone

En 1959, le physicien américain Richard Feynman évoque un domaine de recherche possible alors inexploré : l’infiniment petit ; il envisage un aspect de la physique dans lequel peu de choses ont été faites, et dans lequel beaucoup reste à faire.
Se fondant sur la taille minuscule des atomes, il considère comme possible d’écrire de grandes quantités d’informations sur de très petites surfaces, ce qui à l’époque était infaisable, semble aujourd’hui parfaitement réalisable, grâce aux progrès en microtechnologies. Feynman veut aller au-delà des machines macroscopiques avec lesquelles nous vivons : il imagine un monde où les atomes seraient manipulés un par un et agencés en structures cohérentes de très petite taille. Voir une video expliquant l'intérêt de cette technologie.

 

Les nanoobjets présentent l'immense intérêt d'avoir des propriétés énormes qui n'éxistent pas à l'échelle macroscopique. Par exemple, les conductivité électriqueconductivité thermique et résistance mécanique de ce nanotube de carbone sont remarquablement élevées dans leur sens longitudinal. Ils font partie des produits issus des nanotechnologies actuellement utilisés et commercialisés dans différents domaines.
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.

  Le développement des nanosciences et nanotechnologies s’appuie sur l’invention de deux instruments permettant d’observer et d’interagir avec la matière à une échelle atomique ou subatomique. Le premier est le microscope à effet tunnel inventé en 1981 par deux chercheurs d’IBM a permis de parcourir des surfaces conductrices ou semi-conductrices en utilisant un phénomène quantique, l’effet tunnel, pour déterminer la morphologie et la densité d’états électroniques des surfaces qu’il explore. 
 


Le second est le microscope à force atomique qui est un dérivé du microscope à effet tunnel, et qui mesure les forces d’interactions entre la pointe du microscope et la surface explorée. Cet outil permet donc, contrairement au microscope à effet tunnel, de visualiser les matériaux non conducteurs. Ces instruments combinés avec la photolithographie XUV permettent d’observer, de manipuler et de créer des nanostructures.
 

En 1986, Eric Drexler publie un ouvrage sur l’avenir des nanotechnologies, Engines of Creation, dans lequel il délivre sa vision des progrès énormes possibles avec l’essor des nanotechnologies. Ainsi les lois physiques paraissant insurmontables aujourd’hui pourraient être dépassées, les produits créés pourraient être moins coûteux, plus solides, plus efficaces grâce à la manipulation moléculaire. Cependant, Drexler a également prévu les effets négatifs : de telles technologies capables de se reproduire ou du moins de se répliquer par elles-mêmes pourraient être tout simplement cataclysmique puisque, par exemple, des bactéries créées dans un quelconque intérêt commun pourraient se répliquer à l’infini et causer des ravages sur la flore mais aussi sur la faune et même sur l’Humanité.
À ce sujet, une des questions qui peuvent être posées est la forte capacité pénétrante qu’ont les nanoparticules à l’égard des tissus cellulaires. Effectivement, du fait de leur taille inférieure aux cellules, dès lors que ces dernières sont à l’état de particules, elles peuvent franchir certaines barrières naturelles. Cette propriété est d’ailleurs déjà exploitée dans l’industrie cosmétique.

 
 

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 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. Le rythme s'est un peu ralenti c'est actuellement 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.


Image du processeur I7 de Intel  (il comporte 1 750 000 transistors)

 

Certains de ces moteurs tournent à 100 000 RPM
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 nanoordinateurs contrôlant des véhicules autonomes et intelligents, des nanodétecteurs 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.

La combinaison des particules carbone-fer et carbone actif sont testés à VEGAS sur une large échelle pour le traitement de l'eau
 
 
Dans ce secteur sensible, le public reste très réticent et surtout très méfiant

Le secteur alimentaire: Les nanofoods ont droit à une conférence annuelle qui réunit les chercheurs du domaine. 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 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.

 
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.
 
Illumination des cellules cancéreuses à l'aide de particules nanométriques
 

Le labo sur puce effectuant de nombreuses analyses à partir d'une goutte de sang ou de salive.
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.
Voir une vidéo sur la régénérescence cellulaire.
mikajoh

Le savais-tu ?

Grâce aux nanos éléments, c ertains chercheurs affirment pouvoir modifier à volonté le goût d'un aliment. Un concombre pourrait donc prendre un goût de tomate !
Quel intérêt ?

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