La nanotechnologie - CORDIS

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La nanotechnologie
INFORMATION GÉNÉRALE
L’innovation pour le monde de demain
NANOTECHNOLOGIES ET NANOSCIENCES, MATÉRIAUX,
MULTIFONCTIONNELS BASÉS SUR LA CONNAISSANCE, ET
NOUVEAUX PROCÉDÉS ET DISPOSITIFS DE PRODUCTION
La recherche européenne vous intéresse?
Notre magazine RDT info vous tient au courant des principaux développements dans ce domaine
(résultats, programmes, événements, etc.). RDT info est disponible gratuitement en allemand,
en anglais et en français, sur simple demande à:
Commission européenne
Direction générale de la recherche
Unité «Information et communication»
B-1049 Bruxelles
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Editeur: COMMISSION EUROPÉENNE
Direction G — Technologies industrielles
Unité G.4 — Nanosciences et nanotechnologies
Contacts: Dr. Renzo Tomellini, Dr. Angela Hullmann
E-mails: [email protected], [email protected]
Url: www.cordis.lu/nanotechnology
COMMISSION EUROPÉENNE
La nanotechnologie
L’innovation pour le monde de demain
Cette brochure doit son origine à un projet financé par le ministère
fédéral allemand de l’éducation et de la recherche (BMBF) et réalisé
par l’Association allemande des ingénieurs - Centre de technologie
(VDI-TZ). La Commission européenne remercie le BMBF d’avoir
autorisé la traduction de la présente publication et sa mise à la
disposition du public européen. Nous remercions particulièrement
Mme Rosita Cottone (BMBF) et le Dr Wolfgang Luther (VDI-TZ) pour
leur aide à la coordination.
Pour la version originale allemande, consulter l’adresse http://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php.
Édité par: Commission européenne, DG Recherche
Produit par: Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, Berlin
Coordination: Future Technologies Division, VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf
Auteur: Mathias Schulenburg, Cologne
Mise en page: Suzy Coppens, BergerhofStudios, Cologne
2004
«Nanosciences et nanotechnologies»
EUR 21151FR
Europe Direct est un service destiné à vous aider à trouver des réponses
aux questions que vous vous posez sur l’Union européenne
Numéro unique gratuit:
00800 6 7 8 9 10 11
AVERTISSEMENT:
Ni la Commission européenne, ni aucune personne agissant au nom de la Commission n’est responsable de l’usage
qui pourrait être fait des informations ci-après.
Les opinions exprimées dans la présente publication n’engagent que l’auteur et ne reflètent pas nécessairement la
position de la Commission européenne.
De nombreuses autres informations sur l’Union européenne sont disponibles sur l’internet via le serveur
Europa (http://europa.eu.int).
Une fiche bibliographique figure à la fin de l’ouvrage.
Luxembourg: Office des publications officielles des Communautés européennes, 2004
ISBN 92-894-8887-5
© Communautés européennes, 2004
Reproduction autorisée, moyennant mention de la source
Printed in Belgium
IMPRIMÉ SUR PAPIER BLANCHI SANS CHLORE
Avant-propos
a nanotechnologie est une nouvelle approche liée à la compréhension et à la maîtrise des propriétés de la
matière à l’échelle nanométrique, un nanomètre (un milliardième de mètre) correspondant à la longueur
d’une petite molécule. À ce niveau, la matière présente des propriétés différentes et souvent étonnantes, et
les frontières entre les disciplines scientifiques et techniques établies s’estompent. D’où la dimension
interdisciplinaire forte associée à la nanotechnologie.
L
La nanotechnologie est souvent décrite comme potentiellement «perturbatrice» ou «révolutionnaire» en termes
d’impact possible sur les méthodes de production industrielle. Elle apporte des solutions possibles à toute une
série de problèmes actuels par le biais de matériaux, composants et systèmes plus petits, plus légers, plus
rapides et plus efficaces. Ces possibilités ouvrent de nouvelles perspectives pour la création de richesse et
l’emploi. La nanotechnologie devrait également apporter une contribution essentielle à la résolution de
problèmes mondiaux et environnementaux en réalisant des produits et des processus destinés à un usage plus
spécifique, en économisant des ressources et en réduisant le volume des déchets et des émissions.
Des progrès énormes sont aujourd’hui réalisés dans la course mondiale à la nanotechnologie. Entre le milieu et
la fin des années 1990, l’Europe a rapidement investi dans de nombreux programmes sur les nanosciences.
Elle a ensuite développé une solide base de connaissances et doit maintenant veiller à ce que l’industrie et la
société européenne puissent cueillir les fruits de ces connaissances en mettant au point des produits et des
procédés innovants.
La nanotechnologie est l’objet d’une récente communication de la Commission («Vers une stratégie européenne
en faveur des nanotechnologies»). Dans sa communication, la Commission propose non seulement de
promouvoir la recherche dans les nanosciences et nanotechnologies, mais aussi de prendre en considération
plusieurs dynamiques interdépendantes:
• La coordination des programmes de recherche et des investissements nationaux doit être accrue de manière
à doter l’Europe d’équipes et infrastructures («pôles d’excellence») compétitifs au niveau international.
En parallèle, il est essentiel de garantir une coopération entre les instituts de recherche des secteurs public et
privé en Europe si l’on entend parvenir à une masse critique suffisante.
• Il ne faut pas perdre de vue les autres facteurs liés à la compétitivité, tels que la métrologie, les
règlementations et les droits de propriété intellectuelle appropriés, de manière à ouvrir la voie à l’innovation
industrielle et à créer des avantages concurrentiels, pour les grandes entreprises autant que pour les PME.
• Les activités liées à l’éducation et à la formation revêtent une grande importance; en particulier, l’Europe
peut agir pour améliorer l’esprit d’entreprise des chercheurs, ainsi que l’attitude positive des ingénieurs en
production face au changement. La conduite d’une véritable recherche interdisciplinaire dans le secteur de la
nanotechnologie requiert également des nouvelles approches d’éducation et de formation dans le monde de
la recherche et de l’industrie.
• Les aspects sociaux (tels que l’information du public et la communication, la santé, les problèmes
environnementaux et l’évaluation des risques) constituent d’autres facteurs clés du développement
responsable de la nanotechnologie et de la concrétisation des attentes des citoyens. La confiance du public et
des investisseurs dans la nanotechnologie sera cruciale pour son développement à long terme et son
application fructueuse.
L’objectif de la présente brochure consiste à montrer ce qu’est la nanotechnologie et ce qu’elle peut apporter
aux citoyens européens.
Ezio Andreta
Directeur «Technologies industrielles»
Direction générale Recherche
Sommaire
3
Avant-propos
4-5
Sommaire
Voyage dans le nano-cosmos
6-7
L’atome: idée séculaire et réalité nouvelle
8-13
La nanotechnologie dans la nature
Instruments
et processus
4
14-15
Des yeux pour le nanocosmos
16-17
Les appareils d’écriture
18-19
Des impulsions pour la science
20-21
La création de matériaux à l’échelle nanométrique
La nanotechnologie
pour la société
22-27
Le monde mis en réseau: la nanoélectronique
28-29
La nanotechnologie
gie au quotidien de demain
30-33
La mobilité
34-37
La santé
38-41
L’énergie et l’environnement
42-43
La nanotechnologie au service du sport et des loisirs
visions
44-45
Les
46-47
Les possibilités et les risques
Informations complémentaires
48
Comment devenir nano-ingénieur?
49
Contacts, liens, littérature
50-51
Glossaire
52
Crédits
5
Voyage dans le
nanocosmos
L’atome: idée séculaire et réalité nouvelle
Amedeo Avogadro (17761856), professeur de
physique à Turin, a
quantifié la goutte d’eau.
Notre monde matériel est constitué d’atomes. Le philosophe
grec Démocrite le disait déjà il y a près de 2 400 ans. La Grèce
moderne l’en a remercié en faisant figurer son portrait au verso
de la pièce de dix drachmes. Cette pièce était largement répandue, tout comme les atomes. Une goutte d’eau en contient
1 000 000 000 000 000 000 000, parce que les atomes sont
infimes, leur taille équivalant à un dixième de nanomètre.
Un nanomètre, c’est un millionième de millimètre.
Le rapport entre le diamètre
de l’atome de magnésium et
celui d’une balle de tennis
équivaut au rapport entre
le diamètre d’une balle de
tennis et celui de la terre.
Pensez-y la prochaine fois
que vous avalerez un
comprimé de magnésium!
Q
uelques siècles plus tard, le philosophe latin
Lucrèce écrivit un poème sur les atomes:
L’univers consiste en un espace et un nombre infini
de particules indivisibles, les atomes, dont la variété est elle
aussi infinie. ... Les atomes se différencient uniquement par
la forme, la taille et le poids; ils sont impénétrablement durs,
imperturbables, la limite de la divisibilité physique… C’est
vrai, mais ce n’était à l’époque que pure spéculation.
La nanotechnologie est une nouvelle approche liée à
la compréhension et à la maîtrise des propriétés de la
matière à l’échelle nanométrique, un nanomètre (un
milliardième de mètre) correspondant à la longueur
d’une petite molécule. À ce niveau, la matière
présente des propriétés différentes et souvent
étonnantes, et les frontières entre les disciplines
scientifiques et techniques établies s’estompent.
D’où la dimension interdisciplinaire forte associée à la
nanotechnologie.
Puis, plus personne ne s’intéressa à ce sujet pendant
longtemps. Au XVIIe siècle, Johannes Kepler, le célèbre
astronome, s’intéressa en 1611 aux flocons de neige:
leur forme régulière ne pouvait en réalité être due
qu’à des éléments constitutifs simples et uniformes.
L’idée de l’atome reprit vigueur.
6
L’esprit de Démocrite plane au-dessus de la
nanoscène, un océan de possibilités infinies.
Les scientifiques qui étudiaient les minéraux et les
cristaux envisagèrent de plus en plus sérieusement
l’existence des atomes. Ce n’est toutefois qu’en 1912
que l’université de Munich apporta la preuve directe
de cette existence: un cristal de sulfate de cuivre
décompose les rayons X de la même façon qu’un parapluie diffuse la
lumière d’une
lanterne. Le
cristal devait
donc être
composé
d’atomes,
alignés en
rangs
comme le
fil du tissu
dans lequel
le parapluie
était fabriqué, ou
comme une
pile d’oranges
dans une
échoppe. La raison pour laquelle les atomes s’agencent de manière
aussi régulière est
simple: la
matière se
facilite la
vie le plus
possible, et
l’alignement en
rangs est
la structure la
plus
confortable. Même
les noix que
l’on secoue
dans un plat à
fruits composent des
formes régulières; pour
les atomes, c’est encore bien plus aisé.
Les appareils d’analyse modernes ont permis de
visualiser les composants extrêmement complexes de
la matière vivante jusqu’à l’échelle nanométrique.
Ada Yonath, DESY,
Hambourg, décode la
structure de nanomachines
biologiques comme les
ribosomes par
cristallographie.
Enfin, dans les années 1980 fut créé un instrument, le
microscope à effet tunnel, capable non seulement de
visualiser les atomes d’un cristal – nombreux furent
ceux qui prirent les premières images pour des
montages –, mais aussi de les faire glisser l’un sur
l’autre.
Le terrain était désormais déblayé pour un
développement vital, la nanotechnologie.
À Kiel, le professeur Berndt
utilise des atomes de
manganèse pour
reproduire le logo de
l’université ChristianAlbrechts.
Les modèles simples ne sont toutefois pas toujours les
plus faciles à reproduire. Mue par des forces d’autoagencement, la matière sur terre a adopté, au fil des
milliards d’années, des formes extraordinairement
complexes et vivantes.
7
10 cm
1m
Les nanotechnologues aiment la nature. En quatre milliards d’années,
celle-ci a en effet trouvé des solutions parfois étonnantes à ses
problèmes. Un exemple typique réside dans la façon dont la vie structure sa matière jusque dans les détails, jusqu’au niveau des atomes.
C’est également ce que recherchent les nanotechnologues.
10 nm
10 µm
0,1 mm
1 mm
Voyage dans le nanocosmos
8
L
es atomes ont mauvaise presse. Quiconque en
entendra parler pensera à de gigantesques
explosions ou à des rayonnements dangereux.
Cela ne peut toutefois concerner que les techniques
qui font appel au noyau atomique. La nanotechnologie
porte sur l’enveloppe de l’atome, et c’est à cette échelle
que cette dernière entre en jeu.
Pour dissiper le moindre doute quant au fait que les
atomes constituent un environnement quotidien, et
même agréable dans certaines liaisons, prenons un
fromage comme point de départ de notre voyage dans
le nanocosmos.
La mimolette est un fromage hollandais. Sa surface
parsemée de petits trous divulgue un secret: ce
fromage est habité. Les producteurs reconnaissent
que l’activité des acariens profite à l’arôme de la
mimolette. Ces acariens ont une taille d’un dixième
de millimètre. L’ESEM, un microscope à balayage
électronique spécial, permet de les observer vivants.
Comme toutes les autres formes de vie, les acariens
sont constitués de cellules, dont la mesure est le
micron. Une cellule est dotée de mécanismes
extrêmement complexes. Les ribosomes, qui
composent toutes les molécules de protéines possibles
et imaginables d’après les spécifications de l’ADN,
constituent une partie importante de ces mécanismes.
Leur ordre de grandeur: 20 nanomètres. Des
fragments de la structure des ribosomes ont été
décodés jusqu’aux atomes. Les premières applications
concrètes de ce type de nanobiotechnologie sont les
nouveaux médicaments qui bloquent les ribosomes
des bactéries.
La fleur de lotus nettoie ses feuilles
grâce à «l’effet lotus» du même
nom.
Gouttes d’eau sur une
feuille de lotus, vues par
l’ESEM, un microscope à
balayage électronique
spécial de l’université
de Bâle.
Le processus de photosynthèse, qui capte l’énergie
nécessaire à la vie sur terre, constitue l’une des
technologies les plus sophistiquées à l’échelle
atomique. Il concerne chaque atome. Quiconque sera
en mesure de le répliquer au niveau nanotechnologique disposera de ressources illimitées en
énergie.
1 cm
50 µm
10 µm
1µm
Les feuilles des végétaux font appel à d’autres
nanotechnologies. Leur régime hydrique est souvent
régulé par les forisomes. Ce sont des muscles
microscopiques qui ouvrent ou ferment – quand la
plante est blessée – des voies dans le système
capillaire. Trois instituts Fraunhofer et l’université de
Gießen tentent aujourd’hui de trouver des
applications techniques aux muscles de la plante,
notamment pour les moteurs linéaires
microscopiques, ou peut-être pour un laboratoire
complet sur puce.
10 nm
L
e lotus nettoie ses feuilles grâce à «l’effet lotus».
Le microscope à balayage électronique ESEM
montre la manière dont les gouttelettes d’eau
sont tenues à l’écart de la surface de la feuille. Cela
s’explique par la structure noppée des feuilles, qui fait
perler l’eau à vitesse élevée et entraîne ainsi la saleté.
L’effet lotus – étudié en particulier par le professeur
Barthlott et ses assistants à l’université de Bonn – a
déjà trouvé une application pour toute une série de
produits comme les peintures pour façades, le long
desquelles l’eau s’écoule en emportant la saleté. Les
céramiques sanitaires dotées d’une structure en lotus
sont très faciles d’entretien.
1m
Effet lotus & Co.
9
Les scarabées, les
mouches, les araignées,
les geckos, etc., ont
dévoilé tous les secrets de
leur force d’adhérence au
Max-Planck-Institut für
Metallforschung de
Stuttgart. Ils adhèrent
grâce à de fins poils
formant la base d’une
liaison de van der
Waals. Plus l’animal est
lourd, plus les poils sont
fins et nombreux.
La nanotechnologie au plafond:
le gecko
L
e gecko peut monter le long du mur, filer tête
en bas sur le plafond et même y rester accroché
avec une seule patte. Il y parvient – cela va de soi
– grâce à la nanotechnologie. La patte du gecko est
munie de poils extrêmement fins à ce point souples
qu’ils peuvent s’approcher à quelques nanomètres du
support sur de grandes surfaces. C’est ce que l’on
appelle une liaison de van der Waals, une liaison très
faible mais faite de millions de points d’adhérence.
Ces liaisons se défont facilement par «épilation», de la
même façon que l’on retire un ruban adhésif.
Le gecko peut ainsi se déplacer sur le plafond. Les
spécialistes de la matière se réjouissent déjà de la
mise au point d’une «geckoline» synthétique.
Les moules, artistes de l’adhérence
Coller à la vie
L
a vie existe parce que ses composantes sont
maintenues ensemble grâce à une technique
d’adhérence sophistiquée de type
nanotechnologique. Même en cas de blessure, par
exemple de piqûre d’insecte: la zone touchée rougit
parce que ses vaisseaux capillaires s’élargissent,
permettant le passage des leucocytes, les globules
blancs. Les cellules de la zone de la piqûre sécrètent
une phéromone. Selon la concentration de cette
phéromone, les cellules des vaisseaux sanguins et les
leucocytes véhiculent
des molécules
adhésives bien précises
qui ralentissent le
passage des leucocytes.
Au niveau de
phéromone maximal,
les leucocytes adhèrent
Gros plan sur une patte de mouche.
10
fermement, et d’autres molécules adhésives
emmènent les particules de sang vers la piqûre, où
elles s’attaquent aux
corps étrangers
éventuels. Tout l’art
d’une adhérence
parfaite. Les recherches
relatives aux imitations
nanotechnologiques
obéissent désormais à
la formule «bonding on command», l’adhérence sur
commande.
L
a moule commune – celle qui est servie au
restaurant cuite au court-bouillon – est une
artiste de l’adhérence nanotechnologique.
Quand elle veut s’accrocher quelque part, elle ouvre
sa coquille et pousse son pied sur le rocher, le plie
pour former une cloche de succion et, au moyen de
petites canules, injecte des gouttelettes adhésives
baptisées micelles dans la zone de dépression, où elles
éclatent pour former un adhésif sous-marin puissant.
Ce phénomène forme immédiatement une mousse
qui sert de coussin. La moule s’attache alors à son
«pare-chocs» à l’aide de fils élastiques de bysse, de
manière à pouvoir supporter sans mal les
mouvements des marées.
L’Institut Fraunhofer (IFAM) de Brême mène
des recherches sur un adhésif de moule
modifié permettant de rendre la porcelaine
la plus délicate résistante au lave-vaisselle.
Le réseau de compétence «Neue Werkstoffe
und Biomaterialien» installé à Rostock et
Greifswald étudie lui aussi les moules.
Une moule avec fils de bysse et pied.
Une corbeille de Vénus,
l’éponge de haute mer
actuellement étudiée en
tant qu’exemple
biologique pour les
conduites à fibre
optique.
La biominéralisation
es moules peuvent encore bien plus de choses.
Leur nacre est composée d’innombrables
cristaux de calcaire qui se présentent sous la
forme d’aragonite et qui, s’ils étaient isolés, seraient
très cassants. Dans la moule toutefois, ils sont
maintenus ensemble par des protéines très
élastiques. Par rapport au poids total de la moule, 3%
de protéines suffisent pour rendre la coquille de la
moule abalone trois mille fois plus solide qu’un
cristal de calcite pur. C’est ainsi que les oursins
renforcent leurs épines de trente centimètres pour
leur permettre de résister au ressac.
L
La biominéralisation peut également produire des
structures très fines. Dans une zone limitée proche
des Philippines vit une éponge appelée «corbeille de
Vénus». Elle est recourbée comme le fourreau d’un
poignard ottoman, mais autour d’un axe
longitudinal. L’éponge doit son nom à la structure du
squelette intérieur de son manteau. C’est un tissu
fait de fines épingles de silicium perforées comme le
cannage du dossier d’une
chaise. Ce tissu est entrelacé
en angles droits et en
diagonale. La corbeille de
Vénus est un chef-d’œuvre
de la biominéralisation:
des composants
élémentaires de
dioxyde de silicium de
trois nanomètres de
diamètre relient les
cellules de l’éponge
en couches
extrêmement
fines.
Celles-ci s’enroulent ensuite de manière à former les
épingles, l’élément de base de la structure de
l’éponge, qui doit supporter des changements de
pression importants.
Le canevas biominéral
en trois dimensions de
l’émail dentaire d’une
molaire de campagnol
protège la surface de
mastication contre les
trous.
Biominéralisation technique: des
nanoparticules réparent des dents.
Quand les dents deviennent sensibles au
froid ou à l’acidité, la cause réside
généralement dans les petits canaux de
l’émail, les tubuli de dentine. Ces canaux
peuvent être rebouchés dix fois plus
rapidement avec les nanoparticules de
phosphate de calcium (apatite) et de
protéines mises au point par la société
SusTech qu’avec les préparations d’apatite
usuelles. La couche de matériau
reminéralisée se comporte dans la bouche
comme un matériau dentaire naturel.
11
Grâce à des formes
optimales, les
diatomées – en haut, la
comparaison avec une
«éponge de Menger»
(voir également p. 21) –
présentent la stabilité
la plus élevée lorsque
leur poids est au
minimum et, probablement, des systèmes
de collecte de la lumière
pour leurs appareils de
photosynthèse, les
chloroplastes.
La biominéralisation revêt une importance
stratégique chez les diatomées, des algues siliceuses.
Ces êtres microscopiques se protègent au moyen
d’une coquille en acide silicique, dont le composant
principal est le dioxyde de silicium (SiO2). Comme le
verre de quartz, qui est lui aussi composé de dioxyde
de silicium, les coquilles d’acide silicique sont
relativement insensibles à de nombreux acides
corrosifs et solutions alcalines; les nanotechnologues
ont donc pensé à en faire des tubes à essai
nanométriques pour les cristaux. Un truc pour
obtenir des particules nanométriques par réaction
chimique consiste en effet à limiter le volume de
réaction. Quand le réactif est totalement consommé,
les cristaux découlant de la réaction restent petits.
Les coquilles des diatomées contiennent de nombreux
pores nanométriques ou nanoréacteurs.
Comment ces coquilles, parfois visuellement très
attractives, apparaissent-elles? De premiers éléments
de réponse existent. Des chercheurs de l’université de
Ratisbonne ont découvert que des variantes d’un
groupe de protéines bien connu, les «polyamines»,
peuvent produire presque spontanément des
nanoparticules présentant une concentration
adéquate en acide silicique et un diamètre réglable de
50 à 900 nanomètres. Les coquilles d’acide silicique se
formeraient tout aussi spontanément d’après des
modèles de croissance simples.
Pourquoi les diatomées furent-elles, à un certain
moment, considérées comme ayant eu une
«importance stratégique» ? En 1867, le suédois
Alfred Nobel découvrit que la terre d'infusoires,
terre à diatomées composée de dépôts fossiles
diatomées, absorbait la nitroglycérine, inhibant
ainsi la tendance de cet explosif à détoner spontanément. Nobel donna le nom de «Dynamite» à
ce mélange, dont les ventes atteignirent un tel
niveau qu'elles furent à l'origine de la fondation
qui finance de nos jours les Prix Nobel.
12
L’étoile de mer «ophiocoma wendtii» possède un système de vision optique
à microlentilles parfait. En haut: vue de jour; en bas: vue de nuit.
Tout-en-un: coquille
blindée et champ
microlenticulaire.
La nanotechnologie dans la nature: l’ophiocoma
wendtii, une étoile de mer velue de la taille d’une
assiette, a longtemps constitué un mystère.
Cet animal, de corps circulaire blindé duquel partent
cinq bras, se cache à l’approche des prédateurs bien
qu’il n’ait apparemment pas d’yeux. Ceux-ci ont
finalement été découverts dans sa carapace calcaire.
L’animal est en effet recouvert de champs
microlenticulaires parfaits qui transforment tout son
corps en œil complexe. Quel rapport avec la
nanotechnologie? Les lentilles sont à ce point
cristallisées que la particularité de la calcite qui
consiste à créer une image double n’entre pas en ligne
de compte. La cristallisation est contrôlée au niveau
nanométrique. Les lentilles sont également corrigées
de leur «aberration sphérique» par l’addition subtile
de magnésium, de manière à prévenir les
débordements de couleurs indésirables. L’ophiocoma
utilise pour ce faire les raffinements
nanotechnologiques qui ont fait la renommée de
Carl Zeiss.
Même la nature ne peut pas en
faire de même: de la céramique
traitée avec de la suie nanométrique
destinée aux systèmes d’allumage
par incandescence résistants à la
corrosion, comme pour les
chauffages au gaz. La conductivité
réglable de la céramique rend tout
transformateur inutile.
L’Institut des nouveaux
matériaux (INM) de Sarrebruck
a mis au point des processus
faisant appel à des
nanoparticules pour appliquer
des hologrammes inimitables et
résistants à l’usure sur des
composants métalliques.
Au-delà des limites de la nature
La nanotechnologie se base sur la nature pure.
Cependant, les capacités de la nature vivante sont
restreintes. Elles ne peuvent s’exprimer à de hautes
températures, comme celles nécessaires à la cuisson
de la céramique, ni s’appliquer aux conducteurs
électriques. De son côté, la technologie moderne
dispose d’un large éventail de conditions artificielles
– pureté extrême, froid, vide – dans lesquelles la
matière dévoile parfois des propriétés étonnantes.
Parmi celles-ci, on trouve notamment les effets
quantiques, qui semblent parfois en vive
contradiction avec les lois de notre monde quotidien.
Les particules du nanocosmos peuvent ainsi adopter
des propriétés ondulatoires: un atome, qui est
apparemment une entité «solide»,
peut passer par deux petits
orifices en même temps, comme
une vague, pour se reformer de
l’autre côté.
Quand leur taille approche le
nanomètre, les particules
acquièrent des propriétés
nouvelles. Ainsi, les métaux
deviennent des semiconducteurs
ou des isolateurs. Certaines
substances, comme le tellurure de
cadmium (CdTe), prennent dans le
nanocosmos toutes les couleurs de
l’arc-en-ciel, tandis que d’autres
transforment la lumière en
courant électrique.
Quand les particules deviennent
nanoscopiques, la proportion
d’atomes sur leur surface
augmente fortement. Les atomes
de surface possèdent toutefois
souvent des propriétés différentes
de ceux du centre de la particule
et sont généralement beaucoup
plus prompts à réagir. L’or, par
exemple, devient un bon
catalyseur pour les piles à combustible à une échelle
nanoscopique (voir également «La mobilité»).
Les nanoparticules peuvent aussi être recouvertes
d’autres substances, permettant aux matériaux
qu’elles composent de combiner diverses propriétés.
Un exemple? Les nanoparticules
céramiques à coque organique, qui
réduisent la tension de surface de l’eau et
sont utilisées pour recouvrir les miroirs
de salle de bain antibuée.
Des nanoparticules de
magnétite dans le pétrole.
Le fluide peut être magnétiquement contrôlé et formé.
Spécialement recouvertes, les
nanoparticules de magnétite, un oxyde
de fer, créent dans l’huile un ferrofluide,
un liquide qui peut être formé
magnétiquement. Les ferrofluides sont
utilisés dans un nombre sans cesse
croissant d’applications, comme les
agents d’étanchéification pour joints
rotatifs de conteneurs sous vide et
boîtiers de disques durs, ou dans les
amortisseurs de vibrations réglables pour
machines et automobiles.
Personne ne doit avoir peur de la complexité de
la nanotechnologie. La pomme est un ensemble
complexe – cellules, ribosomes, ADN – mais elle
reste un fruit fort apprécié. À l’instar des bonnes
nanotechnologies, la pomme se manipule aisément.
Magnetotacticum bavaricum.
Les bactéries magnétiques
peuvent synthétiser des
chaînes de nanomagnétite et
être utilisées comme aiguilles
de boussole.
Les particules de
tellurure de cadmium
deviennent fluorescentes,
la couleur dépendant
uniquement de la taille
de la particule.
13
Instruments
et processus
Des yeux pour le nanocosmos
La nanotechnologie dans
l’espace: les réflecteurs
du télescope européen à
rayons X Newton sont
polis à une épaisseur
moyenne de
0,4 nanomètre, ce qui
leur permet de détecter
des sources de rayons X
dans la constellation
d’Andromède.
Sensation scientifique: un
éclair de rayons gamma
produit des anneaux dans un
nuage de poussière galactique.
Q
uel rapport entre le télescope européen à
rayons X Newton et la nanotechnologie?
Il collecte les rayons X provenant d’objets
éloignés grâce à 58 réflecteurs de la taille d’une
corbeille à papier, insérés les uns dans les autres
comme les couches d’un oignon et métallisés à la
vapeur d’or. Ces réflecteurs présentent une
irrégularité de surface moyenne d’à peine 0,4 nanomètre. Un chef-d’œuvre de technologie auquel la
société Carl Zeiss AG a grandement contribué.
Les réflecteurs de rayons X de précision destinés à la
spectroscopie et la microscopie par rayons X sont
constitués de plusieurs centaines de couches de deux
éléments lourds différents. Les exigences imposées à
ces réflecteurs sont encore plus pointues et les
couches ne peuvent dévier de la mesure idéale que de
quelques fractions du diamètre d’un atome. L’Institut
Fraunhofer de génie des matériaux et des faisceaux
de Dresde maîtrise cette technique.
La nature a elle aussi découvert le mécanisme du
réflecteur en couches pour le spectre de la lumière
visible: le calmar nocturne euprymna scolopes dirige
la lumière des bactéries lumineuses vers de petits
miroirs composés de réflectine qui donnent un effet
14
de ciel étoilé trompant les prédateurs passant en
dessous de lui. Cet exemple de nanotechnologie
biologique a été découvert récemment à l’université
de Hawaii.
Les sondes à balayage
L
es sondes à balayage, des yeux permettant
d’explorer le nanocosmos, paraissent moins
spectaculaires, et pourtant le microscope à effet
tunnel, la technologie qui a donné naissance à toutes
les sondes à balayage, a décroché dernièrement le
prix Nobel. Dans les sondes à balayage électronique,
des piézocristaux guident une tête de balayage pardessus le sujet étudié, comme les champs d’atomes.
«Quantum Corral», de Don Eigler, IBM. Les ondes à l’intérieur reflètent la
possibilité de rencontrer un électron.
Un cristal de bromure de potassium avec
des terrasses atomiques. Le sel que vous
saupoudrez sur votre œuf à la coque
présente des cristaux similaires.
Du silicium en gros plan: le microscope
à balayage de force dessine bien la
densité des électrons.
Vue schématique de la
pointe classique d’un
microscope à effet tunnel.
Le microscope à balaye de force: la
déviation de l’aiguille du capteur est
transmise à une cellule photoélectrique
par un rayon laser.
Les mouvements sont minuscules, et la distance
entre la tête et le champ d’atomes généralement
inférieure au diamètre de l’atome. Quelque chose se
produit dans cette zone: tantôt un courant, tantôt
un champ magnétique passager. Les ordinateurs
interprètent graphiquement les mesures sur une
surface, créant une image exacte à l’atome près
selon le principe de mesure.
Le dernier atome de la tête de la sonde
émet deux nuages d’électrons gravitant
comme décrit dans les manuels.
Les sondes «capacitives» peuvent
également être utilisées pour
représenter les processus de
commutation sur une puce.
Ce processus permet même de visualiser les électrons
des atomes et de divulguer les secrets du niveau
ultime de la matière. Le record du monde actuel de la
résolution est détenu par l’université d’Augsbourg.
Le microscope à balayage de force fait appel à un
processus particulièrement subtil. Il sent les forces
instantanées exercées sur le dernier atome de la tête
de la sonde par les atomes du champ magnétique.
Un réflecteur multicouches
courbé pour une analyse
par rayons X de haute
performance.
L’euprymna scolopes leurre ses ennemis à l’aide de réflecteurs
multicouches composés de réflectine. La lumière est fournie par
des batteries lumineuses.
15
Instruments
et processus
Les appareils d’écriture
Le processus de lithographie: une puce est une structure
tridimensionnelle dont tous les éléments de commutation sont agencés
en couches individuelles. Pour une puce moderne très performante, il
faut compter 25 à 30 couches de ce type, qui nécessitent toutes leur
propre masque lithographique. La structure du masque est projetée
sur la tranche par la lumière et le système lenticulaire du répéteur, un
appareil semblable à un rétroprojecteur. Chaque nouveau masque
ajoute une nouvelle fonctionnalité à la puce, accroissant ainsi sa
complexité.
La lithographie
D
ans le monde de l’informatique, la
lithographie constitue la technique de
production de puces à l’aide de la lumière.
Dans ce processus, la surface finement polie d’un
matériau semiconducteur, une tranche de silicium,
est recouverte d’un enduit protecteur photosensible
sur lequel est projetée l’image d’un circuit.
Le développement de l’enduit protecteur révèle les
zones exposées et non exposées de la tranche, qui
acquièrent ensuite les propriétés électriques requises
par le biais de procédés tels que la gravure,
l’implantation d’atomes étrangers ou la déposition. La
répétition du processus sur de nouveaux modèles et
circuits forme finalement l’une des structures les plus
complexes jamais inventées par l’homme: les circuits
hautement intégrés ou puces. La densité des
transistors a atteint désormais un tel stade qu’un
demi-million de transistors (ou plus) pourraient tenir
sur le point laissé par un crayon.
16
Les puces modernes présentent des structures encore
plus petites que la longueur d’onde de la lumière
lithographique. Elles ont recours à des lasers à
fluorure de krypton d’une longueur d’onde de 193
nanomètres afin de créer des largeurs de structure de
130, et bientôt 90 nanomètres. Cette évolution est
possible grâce à des phénomènes optiques ingénieux
comme la «correction de la proximité optique» et le
«déphasage». On pose actuellement les fondements de
la lithographie par ultraviolets extrêmes (EUV), qui
utilise des longueurs d’onde de 13 nanomètres et qui
pourra produire des structures d’à peine 35 nanomètres de largeur dans le silicium. Les exigences
relatives aux matériaux servant à la fabrication de
masques sont évidemment énormes: lorsqu’elle se
chauffe d’un degré Celsius, une plaque de 10 cm de
longueur ne peut se dilater que de quelques dixièmes
de nanomètre, c’est-à-dire de quelques diamètres
atomiques. La planéité requise de quelques diamètres
atomiques se situe à la limite du théoriquement
faisable.
L’émergence de Dresde en tant que pôle de développement
de l’électronique est un exemple de réussite pour l’aide à la
recherche allemande. Pas moins de 16 000 emplois ont été
créés dans la région, apportant un effet innovateur à toute
l’économie allemande. Dans le cadre de projets financés par
le ministère allemand de la recherche (BMBF), 44 partenaires industriels et instituts de recherche, dont 21 moyennes
entreprises, ont mis au point la norme liée à l’utilisation
future de tranches de cristaux de silicium de 300 millimètres de diamètre destinées à la production de circuits intégrés extrêmement complexes. Le Centre des technologies
des masques de Dresde, où sont mis au point les moyens de
structurer les futures puces nanoélectroniques, doit jouer
un rôle déterminant.
Un prototype de système
répéteur par EUV pour
la production des
futures générations de
puces.
La nano-impression pour les petites et
moyennes entreprises
uand on parle de nanoélectronique, l’image
qui vient à l’esprit est celle d’équipements
onéreux nécessitant des millions, voire des
milliards d’euros d’investissement, mais qui
fabriquent des produits abordables en raison de leur
rendement. Les moyennes entreprises disposent
toutefois de moyens d’accéder au nanocosmos.
Ces méthodes peuvent paraître archaïques au premier
abord; ainsi, au cours du processus de nanoimpression par UV, les nanostructures sont pressées
mécaniquement sur un enduit recouvrant le matériau
électronique porteur comme le silicium. Le modèle
contenant les nanostructures délicates est fait de
verre de quartz, transparent à la lumière ultraviolette.
Quand la presse est abaissée sur l’enduit, une
impulsion de lumière UV entraîne la polymérisation,
c’est-à-dire le durcissement de l’enduit photosensible.
Le modèle est ensuite retiré, et le relief de l’enduit est
aminci. Le silicium révélé peut ensuite être traité
comme voulu; en répétant le processus de
Q
nombreuses fois à l’aide de différents modèles, on
crée finalement la structure complexe d’une puce,
avec des transistors, des circuits, etc. Des structures
d’à peine 10 nanomètres ont déjà été réalisées lors
d’essais en laboratoire. Le processus ne se limite pas
aux composants électroniques et peut également
s’appliquer à la structuration des métaux et des
plastiques, ou encore déboucher sur la création d’un
laboratoire sur puce. Le coût d’une machine de nanoimpression est actuellement estimé à moins d’un
million d’euros, une fraction du coût des
équipements similaires utilisés dans une usine
moderne de production de puces conventionnelles.
Néanmoins, la technique de nano-impression par UV
ne permettra pas nécessairement de fabriquer des
produits plus économiques parce que sa capacité est
bien plus faible. Pour les mini-séries spéciales
– « mini » par comparaison avec les gros volumes des
grands producteurs de processeurs –, elle pourrait
devenir une technologie de choix.
Le zerodur pour les
masques
lithographiques: cette
céramique spéciale reste
stable, même à une
échelle nanoscopique.
Imprimer le nanocosmos: à l’Institut d’électronique des semiconducteurs
(IHT) de la RWTH d’Aix-la-Chapelle, on peut déjà créer des largeurs de
structure de puce de 80 nanomètres grâce à des méthodes
mécaniques/optiques. Applications: des circuits de série limitée
extrêmement complexes.
17
Instruments
et processus
18
Des impulsions
pour la science
Les effets quantiques
À
l’université Ludwig-Maximilian de Munich, la
matière est poussée tous les jours à l’extrême
de la nanotechnologie, dans des conditions où
elle affiche parfois des propriétés étranges. Par
exemple, lorsque de la vapeur constituée de centaines
de milliers d’atomes de rubidium est refroidie à un
millionième de degré au-dessus du zéro absolu
(-273 °C) et comprimée par un champ magnétique, les
atomes se rassemblent pour former un «condensat de
Bose-Einstein» dans lequel ils forment une seule
unité, comme des soldats marchant en
rang. Les opticiens munichois du
monde quantique munichois
peuvent forcer un tel bloc à entrer
dans un réseau tridimensionnel
d’ondes laser et le manipuler, par
exemple en rendant les pièges à lumière
tellement forts que le bloc se décompose
en un «condensat de Mott». Ces travaux
ont été récompensés par le prix Nobel de
physique en 2001. Pourquoi? La recherche de
ce type rend la théorie quantique bien
vivante, et c’est ce qui compte dans le
nanocosmos. Ceux qui le comprendront et le
maîtriseront totalement pourront, par exemple,
mettre au point des normes de temps plus
précises, les horloges plus précises pouvant à leur
tour aider à accélérer les échanges de données sur
l’Internet. Cette recherche apparemment ésotérique
prouve donc qu’elle mérite d’être menée.
Le «condensat de Mott», une matière exotique
pour une mesure du temps ultraprécise.
Un spectromètre conventionnel pour les analyses structurelles par
rayons X. La science doit une grande partie de sa connaissance du
nanocosmos à de tels instruments.
Une course souterraine pour électrons rapides.
Le laser à rayons XXFEL, un phare pour
la nanotechnologie
S
i tout se passe comme prévu, quelques milliards
d’électrons vont vivre un événement très
excitant en 2012. Partant du site DESY de
Hambourg-Bahrenfeld, ils seront portés à un niveau
d’énergie très élevé par un accélérateur d’électrons
supraconducteur pour être ensuite systématiquement
détournés par des aimants vers des voies de déviation
situées 3,3 kilomètres plus loin. Ce phénomène
produira des rayons X de faible longueur d’onde d’un
type très spécial: le rayonnement laser.
Ce rayonnement sera le plus précieux jamais
obtenu par des scientifiques. En une seule
fois, il sera donc possible de déterminer la
structure d’une biomolécule isolée (!).
Les sources de rayons X actuellement
disponibles nécessitent des cristaux
bien formés de biomolécules, ce
qui n’est pas souvent faisable.
Les éclairs de rayons X sont
si courts que les
différentes phases du
mouvement d’une
molécule pourront
être filmées
correctement.
Des éléments supraconducteurs pour
l’accélération des électrons.
Les éclairs de laser de rayons X d’une femto (0,000000000000001) seconde
permettent de suivre et de comprendre le déroulement exact d’une
réaction chimique, en vue d’une application, par exemple, pour
l’optoélectronique, la photovoltaïque, les piles à combustible et les piles
solaires; la nanotechnologie à l’échelle infinitésimale.
Ce qui pourrait passer pour un tourbillon flou en
comparaison avec d’autres méthodes prend une forme
reconnaissable grâce au laser à rayons X.
Les secrets de la friction peuvent être dévoilés.
Des groupes nanométriques de quelques centaines
d’atomes à peine permettront de déterminer ce qui
crée la friction, et de quelle manière.
Les propriétés des amas, les agglomérations de
quelques centaines d’atomes, peuvent également faire
l’objet de recherches plus pointues avec le XFEL
qu’avec tout autre instrument. Bref, le plus grand
projet européen du secteur de la nanotechnologie
donnera un puissant élan à la science et à la
technologie. Selon toute probabilité, le montant total
prévu de 684 millions d’euros (en 2003) sera plus que
justifié, ce tant en termes de connaissance pure que
d’espèces sonnantes et trébuchantes.
Le laser à électron libre en
cours de construction.
Graphique de la voie
d’accélération souterraine
des électrons.
19
Instruments
et processus
La conception de matériaux à l’échelle nanométrique
Des procédés sol/gel
pour des matériaux nouveaux
L
a sauce béarnaise fut créée en l’honneur
d’Henri IV, roi de France, et baptisée ainsi parce
que le souverain était originaire du Béarn.
Cette sauce constitue un très bon (et succulent)
exemple de système colloïdal. Le terme colloïde
désigne une substance dans laquelle de nombreuses
fines particules sont en suspension stable dans une
autre substance. Dans le cas de la sauce béarnaise, ce
sont des gouttelettes de vinaigre en suspension dans
La technologie sol/gel convient également à la
fabrication de composants optiques sophistiqués tels
que les câbles à fibre optique, les doubleurs de
fréquence ou les champs microlenticulaires. Ce type
de nanotechnologie ne promet rien moins qu’une
révolution dans la technologie des matériaux.
Dans certaines conditions, les solvants en gel peuvent
aussi être éliminés de sorte que le gel conserve son
volume d’origine et produit un matériau hautement
poreux de très faible densité, un aérogel.
Mon royaume pour un procédé sol/gel:
la sauce béarnaise fut créée en l’honneur
du roi de France Henri IV.
du beurre fondu. Les crèmes et les peintures sont
d’autres exemples de colloïdes. Avec la technologie
sol/gel, les colloïdes mènent directement au secteur
de la haute technologie.
Dans la technologie sol/gel, un sol (généralement
colloïdal) est produit à base de composés solubles tels
que ceux de silicium, dans lesquels les gouttelettes
contenant du silicium sont en suspension dans une
solution conductrice. Quand elles sont vaporisées sur
une plaque et chauffées, la solution conductrice
s’évapore et les gouttelettes de silicium se soudent
pour former un réseau. Ce réseau soudé se solidifie
ensuite sous la forme d’une couche céramique dure.
La plaque est donc protégée contre la corrosion et les
griffures.
Prêt pour les particules
les plus fines: un
réacteur sol/gel.
20
La technologie sol/gel est utilisée sous des centaines
de variantes pour divers matériaux. Les sols soudés
peuvent également être formés en fils, chauffés
ensuite pour être convertis en fibres céramiques.
Les sols servent aussi à produire des poudres
nanométriques que l’on peut mettre à feu plus
facilement et à des températures plus basses que les
poudres conventionnelles et qui résistent aux
pressions et températures les plus élevées.
L’aérogel, un attrapepoussière scientifique: les
particules sont
emprisonnées dans un
composé aérogel fondu.
La comète Wild 2 a été
visitée par un aérogel.
Un double vitrage rempli d’aérogel réduit les pertes de chaleur.
Les aérogels
L
es aérogels sont des objets de tous les jours
connus depuis longtemps des pâtissiers sous la
forme de la meringue. La meringue se compose
de blanc d’œuf monté en neige, sucré et cuit. Quand
vous en tenez en main, vous sentez immédiatement
vos doigts se réchauffer. Ce phénomène s’explique par
le fait que l’air contenu dans la meringue est coincé
dans des millions de bulles microscopiques. Il ne peut
donc circuler et échanger sa chaleur, faisant ainsi de
la meringue un excellent isolant thermique, comme
le polystyrène. Les aérogels de verre moussé conçus
sur le même modèle sont également des isolants
thermiques de premier choix.
Le blanc d’œuf est incolore, mais la meringue est
blanche. C’est le fruit de la compartimentation du
blanc d’œuf monté en neige dans des bulles de
quelques microns de diamètre. Dans des structures
aussi fines, la lumière est réfractée dans toutes les
couleurs de l’arc-en-ciel, mais le résultat global est
blanc. Les pores nanométriques ne réfractent plus la
lumière. Le verre moussé présentant de tels pores est
presque aussi clair et transparent que du verre
normal. Le double vitrage rempli de tels produits
moussés assure une excellente isolation thermique.
Ces mousses se composant presque exclusivement
d’air, elles sont baptisées «aérogels». Le terme «gel»
provient du processus de production: un catalyseur
est ajouté à la solution aqueuse d’un matériau adapté,
ce qui crée de petites cavités aux fines parois qui se
rassemblent pour former des chaînes et ensuite des
groupes de chaînes, un gel. En séchant, le gel devient
un aérogel hyper-léger.
L’aérogel le plus répandu était celui utilisé dans
l’analyseur de poussières CIDA de la société Hoerner &
Sulger GmbH, qui préleva en janvier 2004, après un
voyage de cinq ans et de 2,3 milliards de kilomètres,
des poussières de la comète Wild 2.
Un matériau parsemé d’un grand nombre de bulles
possède une grande surface intérieure. La plus grande
surface intérieure possible, c’est-à-dire infinie, est
celle de l’éponge de Menger, ce qui réduit son volume
à zéro. L’éponge n’existe que dans l’esprit des
mathématiciens. La surface intérieure réelle des
aérogels est toutefois suffisamment grande pour
produire des effets stupéfiants. Un bout d’aérogel de
la taille d’un morceau de sucre et constitué d’un
matériau carboné peut présenter une surface
intérieure de 2 000 mètres carrés. Cette propriété et
d’autres assurent aux aérogels de carbone une place
de choix parmi les technologies énergétiques de
l’avenir. Ils peuvent servir à fabriquer des
condensateurs d’une capacité maximale de
2 500 farads, lesquels font office d’accumulateurs
d’énergie pour les exigences liées à la puissance de
crête, notamment celles des voitures électriques.
Cette mousse étonnante permettra également de
concevoir de meilleures batteries au lithium, de
nouveaux types de piles à combustible, etc. Rarement
un matériau d’une substance si réduite a affiché un
potentiel aussi diversifié. C’est typique de la
nanotechnologie…
Les mathématiciens
utilisent l’éponge de
Menger comme «courbe
universelle». Celle-ci se
créé lorsque la procédure
décrite ci-dessous est
répétée à l’infini.
21
La nanotechnologie
au service de la société
De l’ordinateur portable dans un studio aux studios sur un ordinateur portable:
l’état d’avancement de la technique
M
ission: faire quatre minutes et demie de
radio sur le premier vol motorisé des frères
Wright, accompagnées d’une petite
ambiance. Armé de son ordinateur
portable, que fera le journaliste pour
peu qu’il aime son métier? Tout
d’abord, il jettera un coup d’œil à
l’endroit où cela s’est passé. Le globe
virtuel montre que Kittyhawk se
trouve sur une bande de terre de
quelques kilomètres de large le long
des côtes de l’Atlantique nord et
bordée par les collines de Kill Devil.
Les frères Wright auraient donc pu
entendre le grondement des vagues. Ce son peut
être retrouvé dans les archives, de même que la forte
brise qui soufflait le jour du premier vol – comme le
décrit l’Encyclopaedia Britannica – ou le bruissement
de l’herbe sur les dunes. Le moteur tournait à une
vitesse de 1 200 tpm, et les archives sonores
proposent un Chrysler d’époque émettant un
bourdonnement agréable et profond. Le
spectroscope du programme de sonorisation affiche
des fréquences plausibles. Jusque là, tout va bien. Le
premier vol motorisé a duré douze secondes; on
sélectionne donc un extrait où le son diminue à la
fin – effet Doppler oblige – du fait du passage de
22
l’engin devant le microphone. Tout est encodé dans le
programme et réparti sur différentes pistes. L’avion
vole de gauche à droite, ce qui peut être simulé à
l’aide de courbes panoramiques. Le bruit du moteur
enfle ou s’estompe, ce que les courbes de volume
peuvent ajuster. Puis, on entend Orville Wright
survoler avec aisance les collines de Kill Devil dans
«Flyer One», exactement comme il le fit le
17 décembre 1903, avec le bruit du ressac et le
sifflement du vent dans les oyats. Tout cela sur un
ordinateur portable... D’autres pionniers de l’aviation,
comme l’Allemand Gustav Weisskopf, avaient déjà
pétaradé dans les airs dès 1901, mais ne purent
assurer la praticabilité de leurs inventions.
Il y a vingt ans, cette mission aurait été impossible
pour une seule personne et aurait mobilisé des tonnes
de matériel; aujourd’hui, tout ce qu’il faut, c’est un
ordinateur portable, une petite table et quelques
heures devant soi. Le contenu de l’Encyclopaedia a été
porté sur un DVD qui remplace les trente tomes de la
version papier et permet une recherche rapide
incomparablement plus confortable. Le programme
de sonorisation prend lui aussi une forme
immatérielle sur le disque dur et offre une palette
d’effets infinie. Le développement de l’informatique
moderne a enclenché un mouvement de
dématérialisation, lequel débouchera à son tour sur
une réduction de la consommation d’énergie.
La baisse des prix du matériel et des logiciels a mis du
matériel de production étonnant entre les mains de
personnes créatives, qui n’ont désormais plus besoin
de ressources financières énormes.
À l’avenir, les bibliothèques portées au poignet
n’auront plus rien d’anormal, pas plus que la
communication mobile interactive.
Un studio de télévision suffisamment
petit pour tenir sur un ongle: une puce
multimédia équipée d’un contrôleur pour
un affichage à haute résolution,
consommant autant qu’une lampe de
poche.
dans un condensateur. Si cet effet n’était pas pris en
considération lors de la conception des puces, celles-ci
pourraient être mal synchronisées.
Go Nano! Les années à venir
L
a technologie des transistors utilisée de nos
jours dans les processeurs pour ordinateurs est
baptisée CMOS (Complementary Metal Oxide
Semiconductor, semiconducteur à métal-oxyde
complémentaire) et a été mise au point, entre autres
choses, pour les premières montres électroniques
parce qu’elle consommait moins que ses devancières.
Depuis les années 1970, les experts répètent que le
développement de technologie atteindra ses limites
dans dix ou quinze ans. Cette fois, l’industrie
électronique a une bonne raison d’anticiper une
rupture avec la tradition constituée par la
miniaturisation continue de ses composants: sur la
voie du microcosme, les éléments de la matière, c’està-dire sa structure atomique, deviennent
progressivement visualisables. Les carapaces
électroniques des atomes sont toutefois les plus petits
composants qui peuvent être assemblés dans des
conditions normales pour former des structures
techniques. Une limite fondamentale est donc en vue.
Un conducteur ne peut pas être plus petit qu’un
atome.
La technologie CMOS a longtemps été soumise à des
limites parfois très curieuses. Les circuits reliant les
transistors d’une puce sont déjà tellement fins que les
atomes d’aluminium seraient instables dans une telle
application. Ils seraient simplement emportés par le
flux électronique comme du gravier dans une rivière.
Le terme spécialisé qui désigne ce phénomène est
l’«électro-migration». La réponse au problème?
Les circuits en cuivre, qui sont de meilleurs
conducteurs et accélèrent ainsi le flux de signaux sur
une puce. Les circuits ont aujourd’hui été rapprochés
au point de créer une capacité détectable, comme
Certains composants des transistors des puces sont
progressivement réduits à une taille inférieure à
20 nanomètres. Cela relève de la théorie quantique,
où l’effet tunnel entre en ligne de compte: des
courants commencent à circuler dans des transistors
plus grands, dans lesquels il ne devrait pas y avoir de
courant. Le système des passerelles électroniques a des
fuites! Bien que ces courants soient minuscules, ils
s’additionnent en présence de millions de transistors
et finissent par entraîner des pertes considérables et
par chauffer le processeur. Ces charges incontrôlées
provoquent des erreurs logiques qui peuvent être
fatales.
Dans le cas des structures très fines, on commence à
pouvoir visualiser les propriétés ondulatoires de
l’électron, comme les décrit la théorie quantique.
De nombreux scientifiques voient toutefois dans cette
situation une bonne opportunité de mettre au point
un type d’électronique totalement nouveau, qui
pourrait produire un ordinateur quantique capable
d’explorer un univers mathématique entièrement
différent.
Un processeur AMD 64
bits pour les applications
PC, contenant 106 millions de transistors et
utilisant une technologie
à 130 nm.
23
La nanotechnologie
La loi de Moore atteint ses limites
D
és 1965, Gordon Moore,
cofondateur de la
société Intel, réalisa
que la capacité des micropuces
doublait tous les 18 mois
environ. Cette «loi» est
aujourd’hui remise en question
par un problème très humain.
Alors que la croissance annuelle
du nombre de transistors
présents sur une puce atteint
presque 50%, les analystes se
plaignent que la
l’accroissement de la
productivité liée à la
conception des puces se limite
à 20% par an. L’industrie a tenté
d’inverser cette tendance en
augmentant la taille des
équipes de concepteurs: aujourd’hui composées de
250 à 300 personnes, elles ont atteint un niveau qui
n’est plus gérable.
Cette croissance illimitée est en contradiction avec la
deuxième loi de Moore, qui stipule que la réduction
de la taille des structures va de pair avec
l’augmentation du prix des installations de
production. Avant que ces restrictions limitent
fortement le développement, la nanotechnologie
continuera à jouer un rôle important dans le secteur
de la nanoélectronique.
Un îlot de silicium
sur un cristal de
silicium se dissout
progressivement à
une température
de 450 degrés. La
connaissance de
tels processus est
primordiale pour
la qualité des fines
couches.
24
En fait, les processeurs actuels sont déjà fabriqués au
moyen de structures de moins de 100 nm et comptent
plus de 100 millions de transistors. À en croire la
feuille de route de l’industrie des semiconducteurs,
dont les prévisions s’appuient essentiellement sur des
évolutions techniques réalistes, on atteindra dans
quelques années (2010) des structures de 45 nm dotées
de plus d’un milliard de transistors par puce.
Cette évolution ouvrira de nouvelles perspectives dont
on ne peut encore que rêver aujourd’hui.
Des atomes de manganèse
sur de l’argent à
l’université ChristianAlbrechts de Kiel. Les
électrons enfermés par la
cage d’atomes de
manganèse forment des
modèles de distribution qui
dépendent de la tension
appliquée. Des effets
comme celui-ci seront
importants pour
l’électronique de demain.
La mémoire vive
à changement de phase
L
es mémoires actuelles de stockage de données
sont fondées sur diverses technologies qui ont
leurs avantages et leurs inconvénients. Alors que
les lecteurs de disque dur magnétomécaniques
(utilisés dans les ordinateurs de bureau) possèdent
une densité de mémoire très élevée et accumulent les
données sans nécessiter une source de courant
électrique constante, ils sont très lents. Par contre, la
DRAM (Dynamic Random Access Memory, mémoire vive
dynamique) est rapide mais les données doivent être
constamment «rafraîchies» par des impulsions
électriques. La mémoire Flash, que l’on rencontre par
exemple dans les lecteurs MP3, les téléphones mobiles
et les appareils photo numériques, conserve les
données sans avoir besoin d’une alimentation
constante, mais n’est pas aussi rapide que la DRAM et
ne peut être utilisée qu’environ un million de fois.
Les futurs concepts d’enregistrement
nanotechnologiques, qui devraient combiner les
avantages précités – densité de mémoire élevée,
vitesse, rétention de données sans alimentation
constante et longévité – sont à ce jour la MRAM
(Magnetic Random Access Memory, mémoire vive
magnétique) et la mémoire vive à changement de
phase décrite ci-dessous.
La matière solide peut se présenter sous deux formes
extrêmes: cristalline, où les atomes sont bien alignés
comme des sapins dans une plantation forestière, ou
amorphe, où ils sont agencés n’importe comment.
Parmi les solides amorphes ordinaires, on trouve
certains types de verre, comme le verre de quartz;
la même substance, le dioxyde de silicium, est
également utilisée dans le commerce de minéraux
sous une forme cristalline comme le cristal de roche.
Qu’ils soient cristallins ou amorphes, ces deux états
de la matière feront encore souvent parler d’eux à
l’avenir car ils définiront probablement la mémoire
de masse de demain. Certains solides passent même
plus ou moins docilement de l’état amorphe à l’état
cristallin et vice versa; ce changement de phase,
atteint généralement sous l’effet de la chaleur, trouve
de larges applications dans les moyens
d’enregistrement optiques. Par exemple, lors de la
gravure d’un DVD réinscriptible, un revêtement
spécial du DVD voit sa phase passer localement de
l’état cristallin à l’état amorphe sous l’effet
thermique de l’impulsion laser, modifiant ainsi ses
propriétés de réflexion, de manière à accepter
l’écriture d’un profil binaire. Une exposition plus
longue et plus forte au laser ramène les zones
amorphes à l’état cristallin, ce qui permet de
réenregistrer le DVD.
Selon toute probabilité, les matériaux à changement
de phase ont une longue carrière devant eux dans les
mémoires électroniques, ou mémoires vives à
changement de phase. Ici, le changement de phase ne
sera pas induit optiquement mais électroniquement.
De brèves impulsions de courant rendent le matériau
amorphe avec une résistance électrique élevée; des
impulsions plus longues le ramènent à l’état
cristallin avec une résistance moindre. La résistance
des éléments de mémoire est importante pour la
lecture des informations.
Avec la mémoire vive à changement de phase, il
devrait être possible d’atteindre des densités de
stockage permettant l’enregistrement d’un térabit sur
une surface de la taille d’un timbre-poste, soit dix
heures de données vidéo non comprimées d’une
qualité irréprochable. Les carnets électroniques
utilisant cette technologie redémarreraient
simplement là où leur propriétaire s’est arrêté, sans
qu’il soit besoin de les relancer.
À droite: les couches des
ordinateurs servant au
stockage de bits peuvent
passer de l’état amorphe
à l’état cristallin grâce à
des impulsions de courant
et de chaleur de
différentes longueurs.
Ce modèle breveté de l’IHT
de la RWTH d’Aix-laChapelle permet de
coupler mémoire rapide
et faible consommation
d’énergie.
À gauche: la trame d’un
composant de mémoire
vive à changement de
phase.
25
La nanotechnologie
Le monde en trois dimensions:
les puces gagnent en hauteur
L
es gratte-ciel ont une solution économique de
choix pour le marché immobilier exigu de
Manhattan quand il a fallu créer de nouveaux
bureaux et logements. Les concepteurs de puces ont
évidemment pensé très tôt à la troisième dimension,
mais ces efforts n’ont débouché sur rien à cause de
toute une série de problèmes.
La société Infineon AG of Munich a peut-être ouvert la
voie vers cette troisième dimension, parvenant à
placer des nanotubes de carbone (CNT) sur les
tranches, les plaques de silicium polies sur lesquelles
les puces sont installées. Les nanotubes de carbone
sont des conducteurs de premier choix et entraînent
de ce fait peu de pertes de chaleur et peuvent être
utilisés comme connexions (VIA) – permettant
également de gérer le stress mécanique – entre les
différents niveaux de connexion d’une puce. À long
terme, les chercheurs d’Infineon estiment possible de
mettre au point une véritable technologie 3D pour les
puces à l’aide des CNT, en particulier parce que ceuxci, en leur qualité d’excellents conducteurs de
chaleur, pourraient aussi diffuser la chaleur depuis
l’intérieur
10 µm
Croissance spécifique de
nanotubes de carbone à
des endroits prédéfinis
d’une tranche de silicium
par le biais d’un
processus compatible avec
la microélectronique.
26
Art moderne: des
structures expérimentales
de mémoire vive
spintronique.
Des molécules organiques individuelles sur du silicium. Image obtenue au microscope à effet tunnel,
université de la Ruhr, Bochum.
La complexité d’une ville
miniature: les circuits de
cuivre gravés d’une puce
(IBM) vus au microscope à
balayage électronique. Les
puces modernes possèdent
jusqu’à neuf niveaux de
circuits.
La sonde magnétique d’un microscope à effet
tunnel à polarisation de spin balaie les propriétés
magnétiques des atomes.
La spintronique:
jouer avec le spin des électrons
Les composants spintroniques pourraient initier une
véritable révolution pérennisant la loi de Moore.
Outre les propriétés électriques de l’électron, ils
utilisent également leurs caractéristiques
magnétiques, leur spin. Le spin de l’électron se
manifeste comme une inertie magnétique très courte
qui réagit de manière complexe avec d’autres
conditions magnétiques et peut de ce fait servir à des
fonctions électroniques. Une application de la
«spintronique», ou magnéto-électronique, a déjà fait
son chemin dans la vie de tous les jours: les nouveaux
disques durs possèdent des têtes de lecture mobiles à
diode laser à fines couches qui découvrent, sur la base
de l’énorme résistance magnétique, de minuscules
domaines magnétiques, permettant ainsi des densités
de stockage très élevées.
Des exercices de doigté
pour l'ordinateur quantique: l'« interféromètre
d'Aharonov-Bohm », mis au
point à l'université de la
Ruhr de Bochum, est
équipé d'un microscope à
balayage de force.
Les câbles quantiques
couplés en tunnel: les
électrons circulent dans
des passages qui seraient
bloqués d’après la théorie
classique. Les expériences
nanotechnologiques
commencent à supplanter
la théorie.
Dans les MRAM, les puces à mémoire magnétique,
l’information est enregistrée dans le spin des couches
magnétiques. Ce développement revêt un grand
intérêt pour la mémoire principale non volatile et
pourrait à long terme déboucher sur le remplacement
des disques durs exploités mécaniquement.
Plusieurs instituts, dont l’université de Würzburg,
considèrent la spintronique comme la technologie
idéale pour un ordinateur quantique.
Des effets nouveaux pour
des disques durs puissants:
la tête de lecture exploite
l’énorme résistance
magnétique à l’aide d’un
élément semiconducteur de
plus de vingt couches
nanométriques.
27
La nanotechnologie
La nanotechnologie au quotidien de demain
Peinture à nanoparticules destinée à prévenir la corrosion
Les tapis piézo préviennent les
vibrations dérangeantes
Articulations de la hanche en
matériaux biocompatibles
Le casque maintient le
contact avec celui qui le porte
Les vêtements intelligents
mesurent le pouls et la
respiration
Le cadre Bucky est aussi
léger qu’une plume tout en
étant solide
Les piles à combustible fournissent du courant
pour les téléphones mobiles et les véhicules
S
i la nanotechnologie vient à faire partie de la
vie de tous les jours, rien ne devrait changer
radicalement de l’extérieur. Les gens aimeront
toujours s’asseoir aux terrasses de cafés, peut-être
même plus qu’avant parce que le bruit des moteurs
à explosion aura été remplacé par un
bourdonnement discret et un frémissement comme
celui des portes à cloison dans Star Trek. L’odeur de
l’essence aura cédé la place à l’odeur passagère, à
peine détectable, du méthanol utilisé dans les piles
à combustible. Le service sera très rapide, le menu
électronique ayant automatisé la cuisine. Il sera
possible de payer son addition en passant
simplement une carte de paiement sur le symbole
«euro» imprimé au coin du menu. Les pourboires
seront toujours versés en liquide parce que le bruit
des pièces est agréable, mais celles-ci seront
recouvertes de nanoparticules à fonction
antibactérienne. Les fenêtres du café seront très
coûteuses parce qu’elles assumeront de nombreuses
fonctions – ce qui les rendra finalement à nouveau
bon marché: elles résistent à la saleté et aux
28
Verre thermochromique pour
réguler l’influx lumineux
Couches magnétiques pour
mémoire de données compacte
griffures, foncent automatiquement quand la
lumière est trop claire, transforment la lumière en
électricité et s’allument comme un grand écran
quand c’est nécessaire. Autrement dit, les
supporters se rassembleront toujours devant un
verre pour regarder la Coupe du monde!
La nanoélectronique à maturité offre la perspective
d’appareils d’une élégance chatoyante, comme les
assistants personnels numériques de la taille d’une
carte de crédit. Ce n’est pas qu’il soit impossible de
les faire plus petits, mais ils doivent rester
suffisamment grands pour être tenus en main.
L’objet pourrait être un monolithe noir mat sans
structures reconnaissables, la surface noire
collectant la lumière solaire et la transformant en
électricité; il résisterait aux griffes et serait
recouvert d’une très fine couche de diamant, sous
laquelle se trouverait une couche en
piézocéramique convertissant le son en électricité
et vice versa afin de permettre la communication
Diodes électroluminescentes
organiques (OLED) pour
écrans
Pellicule photovoltaïque
transformant la lumière en
électricité
Les diodes électroluminescentes
sont aujourd’hui
suffisamment puissantes pour
concurrencer les ampoules
Vitrines antigriffures faisant
appel à l’effet lotus
Menu en carton
électronique
Nanotubes pour les
écrans des nouveaux
ordinateurs portables
Les nanoparticules des nanosolutions
deviennent fluorescentes en présence de
lumière ultraviolette, mais autrement,
elles sont totalement invisibles. Finement
réparties dans les fluides, elles peuvent
être appliquées à la technologie
d’impression par jet d’encre sans changer
le dessin ou la fonction de l’objet marqué.
Les nanopigments sont donc idéaux pour
la protection contre les faux.
Vêtements recouverts à l’usine
pour résister aux taches
Le «verre photochromique»:
la transparence de ces
verres peut être
commandée électroniquement, par exemple
pour la climatisation des
bureaux de demain.
vocale. Évidemment, il pourrait aussi transmettre
des données par voie optique et hertzienne.
L’objet pourrait également voir au moyen d’une
lentille plate et d’une puce de conversion d’images à
haute définition, s’allumerait comme un écran et
servirait de magnétophone, d’appareil photo, de
magnétoscope, de télévision, de téléphone mobile et,
via le système de navigation européen Galileo, d’aide
à l’orientation. Sur demande, il lirait, traduirait et
expliquerait le menu d’un restaurant romain,
passerait la commande dans un italien irréprochable
et paierait ensuite l’addition.
Le clavier virtuel: le
système reconnaît et
interprète le simple fait
de passer son doigt sur
une touche projetée
comme une pression de
cette touche.
Il pourrait aussi reconnaître la voix et les empreintes
digitales des personnes autorisées à l’utiliser, se
protégeant ainsi tout seul contre les abus.
29
La nanotechnologie
La mobilité
Dans la voiture comme dans d’autres machines, la
nanotechnologie remplacera également la quantité
par la qualité. L’intérêt de la technologie réside
dans le fait que l’on peut s’en sortir avec moins
de matières parce que cette technologie s’est
réconciliée avec la nature.
La nanotechnologie dans la voiture
De petites structures
pour une image plus
grande: les structures
noppées permettent
d’éviter les reflets sur
les écrans et les vitres
des voitures.
La nature a donné
l’exemple avec l’œil du
phalène, qui doit voir le
plus possible la nuit
sans être vu lui-même.
L
es pare-brise peuvent être traités contre les
griffures à l’aide d’enduits faisant appel aux
techniques sol/gel contenant des nanoparticules
dures et rester totalement transparents, les
nanoparticules étant tellement petites qu’elles ne
diffusent pas la lumière. Le principe fonctionne déjà
pour les verres, mais il est encore perfectible. Le vernis
de la voiture pourrait présenter une structure en
feuille de lotus qui empêche la saleté de se poser.
Les pare-brises recouverts d’enduits à
nanoparticules pourraient aussi servir à
la climatisation de l’habitacle en
reflétant plus ou moins la lumière et la
chaleur, le tout sous commande
électronique. Appliquée aux bureaux,
cette technologie permettrait
d’économiser de grandes quantités
d’énergie.
30
Aujourd’hui, l’éclairage nécessaire à une voiture est
déjà produit dans une large mesure à l’aide de la
nanotechnologie: comme toutes les diodes
électroluminescentes, celles des freins sont équipées
de systèmes de recouvrement nanométriques
sophistiqués qui transforment très efficacement
l’électricité en lumière. Autre avantage, les diodes
convertissent l’électricité en lumière visible presque
immédiatement, tandis que les lampes de freins
conventionnelles ont besoin de plus de temps.
La différence peut se chiffrer en mètres en cas de
freinage. La luminosité des diodes est aujourd’hui
tellement élevée que des groupes de diodes peuvent
servir à l’éclairage tamisé des phares pendant la
journée.
Les diodes des signaux lumineux vous épargnent le temps et l’énergie
nécessaires à l’entretien. Leur amortissement ne dépasse pas un an.
Les systèmes de sécurité électroniques actuels comme le système d’antiblocage des freins (ABS) ou les dispositifs électroniques de stabilité programmés (ESP) entrent en action
dans des situations de conduite critiques; les systèmes de
demain pourront éviter les dangers automatiquement.
Injecteur de carburant pour véhicules diesel: les
futurs systèmes seront équipés de couches de
protection similaires au diamant d’à peine
quelques dixièmes de nanomètre d’épaisseur.
Organes d’équilibre en silicium: le capteur de taux de
rotation assure la stabilisation du véhicule.
Les diodes blanches
sont si puissantes
qu’elles pourront être
utilisées pour les
phares.
Les vernis pour voitures pourraient également être
conçus nanotechnologiquement comme une pile
solaire, option qui n’a pas encore été développée. Ce
courant pourrait servir à recharger la batterie quand
le véhicule est garé – une option déjà disponible avec
des piles solaires conventionnelles – ou à refroidir
l’habitacle à l’aide d’une pompe d’extraction de
chaleur. Cette pompe pourrait elle aussi consister en
un système nanotechnologique semiconducteur sans
pièces amovibles. Si on fait l’inverse, c’est-à-dire si on
détourne la chaleur perdue d’un moteur à explosion
via un semiconducteur, on peut la retransformer en
électricité. Voir également la section
«Thermoélectricité» du chapitre «L’énergie et
l’environnement».
Les piles à combustible (voir p. 33)
transformeront la voiture en moyen de
transport entièrement non polluant.
Si le carburant d’hydrogène peut
également être produit à partir de
sources d’énergie renouvelables, cette
source de courant sera extrêmement
respectueuse de l’environnement.
À droite: l’électronique au service
de la sécurité en voiture.
Un capteur d’accélération pour
coussin gonflable de sécurité avant.
31
La nanotechnologie
Des capsules de parfum
nanométriques confèrent
au cuir l’aspect idéal.
Un urinoir de zone de
service recourant à la
technologie des
microsystèmes contre le
vandalisme. Les enduits
nanométriques à «effet
lotus» faciliteront
l’entretien et le nettoyage.
32
La mobilité
Des nanoparticules d’or pour les nouveaux
catalyseurs.
De l’or pour prévenir les odeurs
es catalyseurs à nanoparticules d’or sont
actuellement à l’essai en tant que dispositifs de
prévention des odeurs. Dans les petits systèmes
de climatisation comme ceux des voitures, ils peuvent
empêcher l’apparition d’odeurs créées par des
bactéries. Au Japon, on s’en sert déjà dans les toilettes.
L
Les catalyseurs en or
La nanotechnologie
dans les stations-service
a nanotechnologie peut également ouvrir de
nouvelles voies à l’or. Alors que l’or «ordinaire»
est de loin surpassé par le platine en tant que
catalyseur, les nanoparticules d’or posées sur un
matériau porteur poreux donnent un catalyseur
pratique pour les voitures qui, même en cas de
démarrage à froid, décomposent les oxydes d’azote et
le monoxyde de carbone en substances inoffensives.
Les nanoparticules d’or constituent des options
prometteuses pour les nouveaux catalyseurs pour
piles à combustible.
L
es conducteurs peuvent déjà rencontrer la
technologie des microsystèmes dans les stationsservice des autoroutes. Les urinoirs des toilettes
de pointe sont équipés de capteurs qui signalent toute
augmentation de température à l’électronique
embarquée, ce qui déclenche la chasse d’eau.
Le courant électrique nécessaire est fourni par une
mini-turbine actionnée par le mouvement de l’eau de
la chasse. Au contraire des systèmes à capteurs à
infrarouges, ce système ne peut être mis hors service
par un chewing gum.
Toutes ces avancées profiteront évidemment aux
moyens de transport qui n’ont rien à voir avec la
voiture. Les vélos, par exemple, tireront profit de la
nanotechnologie, en particulier avec les piles à
combustible et piles solaires, devenant une machine
en «mouvement perpétuel» capable de parcourir les
routes en n’étant alimentée que par la lumière, l’air
et l’eau, et aussi légère qu’une plume grâce à son
cadre en nanofibre de carbone, ses diodes, etc.
Les urinoirs nanotechnologiques fonctionnent d’une
manière beaucoup plus simple mais plus
sophistiquée: grâce à l’effet lotus de la paroi, les
fluides s’écoulent facilement, percolent à travers une
couche de prévention des odeurs et disparaissent sans
laisser de traces. Cela reste toutefois à prouver dans la
pratique. Cette technologie convient évidemment
aussi aux ménages.
L
Grâce à leur
nanoporosité, les
“nanocubes” métalliques
de BASF peuvent stocker
de grandes quantités
d’hydrogène.
La pile à combustible,
un dispositif aux applications infinies
L
es piles à combustible sont semblables aux
batteries: elles fournissent de
l’électricité. Cependant, si les
ingrédients chimiques d’une batterie
sont épuisés tôt ou tard, le matériau
riche en énergie réapprovisionne
continuellement la pile à
combustible. Ce matériau peut être
de l’hydrogène pur ou un autre gaz
ou fluide contenant de
l’hydrogène, comme le gaz
naturel ou l’huile de colza.
Dans ces deux derniers
cas, l’hydrogène doit être
séparé dans un
«reformeur» avant de
pouvoir être utilisé dans une pile
à combustible. Quand l’hydrogène
et l’oxygène se combinent, les
électrons sont transférés de
l’hydrogène vers l’oxygène. Dans
une pile à combustible, ces
électrons sont déviés vers un
circuit extérieur qui peut ensuite
actionner un moteur ou un autre
engin. Le produit de la réaction
n’est rien d’autre que de l’eau
pure.
Les piles à combustible fonctionnent à un niveau
d’efficacité élevé qui, selon le type de pile, est
également indépendant de la taille. Elles sont
produites dans de nombreuses variantes. La
nanotechnologie peut grandement contribuer à cette
technique, notamment par les pellicules céramiques,
les surfaces à nanotexture ou les catalyseurs à
nanoparticules.
Ces dernières années, entre six et huit milliards de
dollars ont été affectés au développement
de la technologie des piles à combustible
dans le monde, et il ne fait aucun doute
que cette technologie offrira de
nombreux résultats. Ces fournisseurs
d’électricité silencieux se présentent
sous toutes les tailles, du timbre-poste
au conteneur, et ne seront pas utilisés
seulement dans les voitures. Pour les
petits consommateurs, un mélange
ininflammable méthanol/eau
pourrait servir de source
d’hydrogène, et le plein
serait fait au
supermarché.
La pile à combustible aidera le
moteur électrique à recouvrer son
leadership parmi tous les meilleurs
moteurs envisageables (la première
voiture électrique a vu le jour à
Paris en 1881). Le moteur électrique
est le seul à tourner à un
rendement de plus de 90% et à pouvoir
servir en même temps de générateur. Il
convertit également l’énergie cinétique en
énergie électrique, comme lors du freinage
d’une voiture. Les matériaux magnétiques
de premier plan des nouveaux moteurs et
générateurs électriques sont évidemment
composés de nanocristaux.
Les piles à combustible
seront également
utilisées au niveau
domestique, fournissant
de l’électricité et de la
chaleur en même temps.
La nanotechnologie
En haut à gauche:
les films recouverts de
nanoparticules conservent
plus longtemps la
fraîcheur des aliments.
En haut à droite:
un emballage intelligent
équipé d’une puce à
transpondeur à base
polymérique.
L’environnement
intelligent: le miroir
équipé de
nanoélectronique donne
des leçons de brossage
des dents.
34
La santé
Un petit déjeuner lourd de conséquences en 2020
Il y a encore du café? Bien sûr. Et du jus d’orange? Évidemment, mais il
pourrait y avoir quelque chose de très spécial dans l’emballage, comme
une «langue électronique» à l’intérieur, qui goûte le jus pour s’assurer
qu’il est toujours bon.
O
u un capteur à l’extérieur, qui détecte toute
carence en calcium ou autre dans les doigts
qui tiennent l’emballage, carence qui pourrait
être comblée par des «aliments fonctionnels».
Ou encore un fromage de chèvre classique. L’étiquette
à OLED (diode électroluminescente organique) de
l’emballage recommanderait le bon fromage.
Le miroir de la salle de bain est équipé de
nanoélectronique, donne à l’utilisateur des
informations à la demande et émet quelques réserves
à propos du jus d’orange, parce que ce dernier
contient du sucre et que le sucre participe à la
formation de caries. Une fois de plus, la
nanotechnologie entre en jeu: le dentifrice (déjà
disponible en magasin) contient des nanoparticules
d’apatite et de protéines, le matériau naturel des
dents, qui les aident à retrouver leur condition
normale (voir également «La biominéralisation»).
La crème de jour (elle aussi déjà disponible en
magasin) contient des nanoparticules d’oxyde de zinc
protégeant contre les rayons UV nocifs. Les
nanoparticules sont complètement invisibles, et la
crème n’est pas blanche mais transparente.
Des espions sur le bout des doigts
A
vec la nanotechnologie, la nanoélectronique et
la technologie des microsystèmes, des
équipements d’analyse complexes seront
commercialisés à un prix abordable pour les ménages.
Une petite piqûre dans le doigt suffira aux analyses
sanguines de demain. Le taux de cholestérol est-il
bon? Le taux de glycémie est-il dans la fourchette
normale? Les résultats pourront être envoyés par
courriel vers le centre nanomédical le plus proche, où
une analyse plus pointue pourra être réalisée ou un
traitement individualisé mis au point par des
microréacteurs. Dans le corps, les médicaments
transporteront des nanoparticules enduites de façon à
n’agir que sur la cause de la maladie. C’est la
médication réglée jusqu’au moindre détail. Les
médecins suivent ces développements avec le plus
grand intérêt.
Le diagnostic de demain:
les méthodes de plus en
plus coûteuses resteront
abordables grâce à la
nanotechnologie.
Les capsules supramoléculaires
L
es traitements administrés peuvent eux aussi
être extrêmement sophistiqués. Ils seraient
transportés dans des molécules creuses
supramoléculaires (en développement), des
conteneurs nanométriques équipés d’antennes
auxquelles sont attachés des anticorps ou des
protéines sensorielles similaires. Quand elles entrent
en contact avec les structures typiques de l’agent
responsable de la maladie – par exemple, l’extérieur
des cellules cancéreuses ou les bactéries –, elles se
collent à lui et envoient un signal à la molécule
creuse, qui s’ouvre ensuite et libère son contenu. Avec
une nanotechnologie de ce type, les médicaments
pourraient être administrés à fortes doses directement
à la source de la maladie, sans imposer de tension au
reste de l’organisme.
Cette thérapie, appelée «hypothermie par fluide
magnétique», a été mise au point par un groupe de
travail dirigé par le biologiste Andreas Jordan. Les
essais cliniques sont en cours.
Des cellules cancéreuses
d’un glioblastome se
sont gorgées de
nanoparticules de
magnétite spécialement
enduites jusqu’à la
limite du tissu sain. Si
les particules sont
maintenant chauffées
par un champ
électromagnétique, la
tumeur pourra être
soumise à un traitement
ultérieur. Le monde
médical devrait
approuver cette
technique d’ici 2005.
Des tourniquets sur une puce
Des particules magnétiques
contre le cancer
D
es astuces semblables peuvent servir à diriger
des nanoparticules magnétiques vers les
sources de cancer. Ces nanoparticules sont
ensuite chauffées par un champ électromagnétique
alternatif et peuvent alors détruire la tumeur. Les
nanoparticules sont également capables de traverser
le filtre de la «barrière sang-cerveau» et être ainsi
utilisées pour lutter contre les tumeurs au cerveau.
L
a technologie des microsystèmes et la
nanotechnologie – la frontière entre les deux est
élastique – feront leur chemin dans le secteur
médical, ne serait-ce que dans la mesure où elles
miniaturisent les techniques existantes et les rendent
ainsi moins chères, parfois dans un rapport de un à
cent mille. Ce sera notamment le cas des machines
complexes qui peuvent contrôler des millions de
cellules, comme les cellules du sang, à une vitesse de
plusieurs milliers par seconde, et les trier à l’état
vivant.
35
La nanotechnologie
Petit mais sophistiqué: le
“laboratoire sur puce”, un
laboratoire qui tient sur le
bout du doigt.
La santé
Les poudres à nanoparticules
peuvent être utilisées pour des
produits céramiques fiables,
frittés, comme ceux destinés
aux implants.
Ce processus pourrait se dérouler comme suit: des
anticorps sont ajoutés au sang, qui s’accrochent aux
cellules qui les intéressent – et uniquement à celles-ci
– et transportent un colorant qui s’illumine ou
devient fluorescent en présence de lumière laser.
Dans le trieur de cellules, les cellules, enrobées dans
des gouttelettes, seraient dirigées au-delà de ce laser;
quand un signal fluorescent est détecté, des champs
électriques dirigent la gouttelette et la cellule dans un
récipient de collecte, une technique partiellement
empruntée à l’imprimante à jet d’encre.
Les trieurs de cellules sont des appareils très
sophistiqués, qui combinent la micromécanique,
l’optique et l’électronique la plus pointue; leur prix
est donc à l’avenant. La nanotechnologie réduira ces
trieurs de cellules en forme de tourniquets à la taille
d’un timbre-poste, voire en fera des produits jetables.
Cette évolution accélérera considérablement le
progrès médical.
Une nanotechnologie encore plus pointue est prévue
pour le laboratoire sur puce. D’après des concepteurs
faisant autorité, ces laboratoires contiendront des
millions de nanodispositifs qui travailleront de
36
manière coordonnée pour réaliser leurs tâches. Les
puces feront quelques centimètres carrés, une taille
gigantesque par rapport aux nanomachines qu’elles
hébergeront. Cela s’explique par le fait que les fluides
doivent circuler entre ces nanomachines. Dans le
nanocosmos, ces fluides deviennent visqueux comme
du miel et ont besoin de plus de place pour s’écouler.
Si les scientifiques parviennent à l’avenir à utiliser le
nanolaboratoire pour suivre étape par étape ce qui se
produit dans les cellules, les laboratoires sur puce
révolutionneront la biologie. Cela permettrait la mise
au point d’une vidéo d’un nouveau genre: une vidéo
de la vie. Les scientifiques ne se contenteront pas
d’observer les cellules; ils voudront les titiller pour
voir comment elles réagissent, décodant ainsi le
mystère de la vie.
Un implant rétinien.
La neuroprosthétique
U
ne application extrêmement exigeante de la
technologie des microsystèmes et de la
nanotechnologie est actuellement en phase
d’essai: l’implant rétinien à capacité d’adaptation.
Cet implant vise à restaurer une vision partielle en cas
de cécité due à la retinitis pigmentosa.
À gauche: la connexion de
cellules nerveuses à des
contacts électriques.
À droite: des puces en
silicium sur un matériau
porteur flexible, destinées
à des dispositifs comme
les étiquettes intelligentes
susceptibles d’être
intégrées à des
emballages d’aliments ou
à des vêtements.
Le système se compose d’une petite caméra installée
dans la monture des lunettes, qui transmet des
images des environs à un processeur de signaux
spécial à capacité d’adaptation. Le processeur
transmet ces données par communication sans fil à
l’intérieur de l’œil malade. Ici, une pellicule flexible
contenant des électrodes miniaturisées en contact
avec la rétine stimule le nerf optique. Si cette
technique est couronnée de succès, ce sera la
première «interface homme-machine» du monde
appliquée à la vue. L’implant cochléaire a déjà résolu
les problèmes de nombreux sourds. Avec la
nanotechnologie, les implants de ce type pourront
être améliorés.
Les soins à domicile
U
ne meilleure nutrition et des soins médicaux
de plus en plus pointus permettent
aujourd’hui de vivre de plus en plus vieux.
Ce développement bienvenu entraîne toutefois
l’inconvénient naturel que de plus en plus de gens
auront besoin d’une assistance. Celle-ci pourra être
offerte en partie par la nanoélectronique.
Parmi les idées creusées, on trouve les capteurs et les
mini-ordinateurs intégrés dans les vêtements, qui
assureront le suivi de l’état de santé des personnes
âgées, en particulier de leur pouls, de leur respiration
et de leur métabolisme. En cas de problème, la
«MediVest» avertira automatiquement le médecin
traitant ou la famille. La localisation du patient serait
également relevée par un module GPS ou Galileo
intégré (Galileo est la future version européenne du
GPS).
Les infirmières automatiques
L
a «vieille Europe» affiche toujours une attitude
plutôt réservée vis-à-vis des assistants
mécaniques, bien qu’au au Japon, les robots
mobiles en soient presque au stade de la production
industrielle de masse. Il se pourrait que cette réalité
stimule le développement des infirmières
automatiques destinées à usage quotidien. En tout
cas, on y travaille déjà. La robotique pourra gérer sans
problème les performances sans cesse croissantes de
la nanoélectronique.
Des robots dotés du sens
de l’empathie mis au
point à l’université
d’Oxford. Suffisants pour
garder des canards, mais
on demandera beaucoup
plus aux infirmières
automatiques.
Le vêtement intelligent:
l’électronique intégrée lit
des fichiers musicaux
MP3, indique le chemin
en ville et contrôle le
pouls.
37
La nanotechnologie
Les diodes électroluminescentes
constituent une véritable
révolution en termes d’efficacité.
Á la différence des techniques traditionnelles, la nanotechnologie peut associer croissance économique et moindre
consommation de matière.
La gestion commerciale à l’échelle nanométrique: une facilité accrue pour un coût moindre.
E
Selon Shell AG, la
nanotechnologie sera une
technologie de choix pour
les énergies renouvelables.
n Europe, près de 10% de l’énergie électrique
produite sert à l’éclairage. Les LED (diodes
électroluminescentes) peuvent désormais
produire de la lumière blanche et donc remplacer la
technologie conventionnelle. Un tel changement
déboucherait sur des économies substantielles, les
LED ne nécessitant qu’environ 50% du courant requis
par une ampoule normale à incandescence pour
donner la même quantité de lumière. Le potentiel
d’économie d’énergie est donc considérable.
Dans les ménages européens, des millions de
téléviseurs utilisent des tubes cathodiques qui seront
bientôt remplacés par la technologie LCD (liquid crystal
display, affichage à cristaux liquides) et, à plus long
terme, par celle des LED organique (OLED). Ces deux
technologies pourraient réduire la consommation
d’énergie de 90%. Les LED et OLED sont des produits
de la nanotechnologie. Si des millions de familles
économisent chacune quelques kilowatts, le résultat
global se chiffrera en gigawatts, soit la capacité de
plusieurs grosses centrales électriques.
Les performances des piles à combustible peuvent être
réglées rapidement. Les premières chaudières au gaz
naturel munies de piles à combustible font leur
entrée aujourd’hui dans les ménages, générant
chaleur et électricité. Quand des millions de ménages
auront été équipés de tels dispositifs, ces chaudières
pourront être interconnectées, via le réseau national
et Internet, pour former de grandes centrales
virtuelles d’une capacité théorique maximale de
plusieurs centaines de gigawatts. À long terme, le gaz
naturel pourrait également être remplacé par de
38
l’hydrogène produit à partir de sources renouvelables.
Avec ses nouveaux matériaux et catalyseurs, la
nanotechnologie est parée à cette évolution.
Les membranes céramiques nanoporeuses acquièrent
de plus en plus d’importance dans le traitement des
liquides et la fourniture d’eau potable propre. Elles
retiennent et éliminent simplement bactéries et virus.
La nanotechnologie fera de l’énergie solaire une
solution viable et lucrative. Les semiconducteurs
composés en indium, gallium et azote ont déjà
produit des performances qui démontrent la
faisabilité de piles solaires d’un rendement de 50%.
Mais le rendement n’est qu’un des critères; la
nanotechnologie entraînera une diminution drastique
du coût des collecteurs de lumière grâce à la
technologie des couches minces ou des particules. Les
échantillons de laboratoire de cellules solaires sur
support souple, produites selon une technique de
déposition similaire à celle utilisée pour les LED et
OLED, offrent un rendement de 100 watts pour un
poids de seulement 30 grammes. Cette extraordinaire
réduction de la quantité de matière nécessaire à la
production d’énergie a été réalisée à Leipzig par
Solarion.
Les chercheurs de Siemens prétendent avoir atteint
un rendement de 5% pour les toutes dernières cellules
solaires organiques, imprimables sur pellicule
plastique à un prix de revient dérisoire. La couche
photoactive ne fait que quelque 100 nanomètres
d’épaisseur, tandis que la longévité de ces cellules
s’élève déjà à plusieurs milliers d’heures
d’ensoleillement. Les premiers produits faisant appel
à cette technologie sont attendus sur le marché pour
2005.
Tout le spectre de la
lumière blanche: la
façade en verre d’une des
salles de l’hôtel Weggis,
sur les rives du lac de
Lucerne, est illuminée par
toutes les couleurs de
l’arc-en-ciel grâce à
84 000 LED fournies par
Osram.
Les OLED (diodes
électroluminescentes
organiques) seront
utilisées dans bon nombre
d’écrans de demain.
La nanotechnologie
Un module
thermoélectrique
conventionnel: des
blocs de
semiconducteurs
transforment un flux
de chaleur en
électricité. Les
nanostructures aident
cette technologie à
atteindre des niveaux
d’efficacité élevés,
ouvrant ainsi de
nouveaux marchés.
La nanotechnologie redonne vie à de nombreuses idées
anciennes qui auraient disparu en raison de l’inefficacité
des matériaux disponibles. Une de ces idées porte tient à la
production de courant thermoélectrique.
La thermoélectricité: de l’électricité provenant de la
chaleur, de la chaleur provenant de l’électricité
I
La technologie des
microréactions chimiques
pour la production
efficace des substances les
plus exotiques.
l existe une vaste gamme d’effets physiques avérés,
mais à peine remarqués par le public, qui ont
connu des résultats modestes dans leur secteur de
marché. Par exemple, le sac réfrigérant, qui se
branche sur le système d’alimentation du véhicule et
se refroidit vraiment bien. À l’intérieur de ce sac,
invisible, on trouve l’héritage de Jean-Charles-
Athanase Peltier, un scientifique français qui
découvrit en 1834 l’effet qui porte son nom: un flux
de courant passant par le point de contact de deux
métaux différents produit de la chaleur d’un côté et
du froid de l’autre. Treize ans plus tôt, l’Allemand
Thomas Johann Seebeck avait découvert l’effet
inverse; un flux de chaleur passant par le point de
contact de deux métaux différents génère
de l’électricité. Ces deux grands hommes
jouissent d’une nouvelle renommée grâce
à la nanotechnologie, qui permet
aujourd’hui de développer de nouveaux
matériaux, lesquels assurent à leur tour
une utilisation de ces effets à des niveaux
d’efficacité très élevés.
La production de ces matériaux implique
le même type de machine que pour les
diodes électroluminescentes.
Ces machines appliquent une couche de
cinq nanomètres de tellurure d’antimoine
sur une couche nanométrique de
tellurure de bismuth et répètent ce
processus jusqu’à ce qu’apparaisse une
pellicule semiconductrice qui aurait
40
Des réacteurs Aixtron pour la recherche (gauche) et pour la
production adéquate de fines couches de semiconducteurs
conjonctifs (droite).
La thermophotovoltaïque
suscité l’étonnement et le ravissement Messieurs
Peltier et Seebeck: quand l’électricité la traverse, un
côté devient froid et l’autre chaud.
Cette pellicule peut être structurée très finement, de
manière à pouvoir servir au refroidissement approprié
de puces ou dans un laboratoire sur puce pour
actionner de minuscules récipients de réaction dans
lesquels l’ADN est reproduit par le biais d’un rapide
changement de température. Il est même envisageable
que l’augmentation extraordinaire des niveaux
d’efficacité fasse à l’avenir des éléments Peltier la
technologie idéale pour toute l’industrie des
réfrigérants. D’autre part, les sources bon marché
d’énergie géothermique permettent de produire de
l’électricité à faible coût avec ces couches
thermoélectriques. L’Islande pourrait devenir riche en
énergie comme Crésus grâce à l’hydrogène généré par
électrolyse.
Dans l’industrie chimique, les techniques telles que
celle-ci transformeront les quantités énormes de
chaleur perdue en électricité, le tout silencieusement,
discrètement et efficacement.
L
a thermoélectricité n’est pas le seul moyen de
transformer élégamment la chaleur perdue en
électricité. La thermophotovoltaïque (TPV) a
recours au rayonnement thermique (invisible) – au
rayonnement infrarouge – des objets chauds.
La nanotechnologie
réside dans les structures des émetteurs, qui
adaptent le spectre de
la source de chaleur à
la sensibilité spectrale
des cellules thermophotovoltaïques.
La lumière d’une bougie
suffit à une cellule
thermophotovoltaïque
pour produire assez de
courant pour faire
fonctionner une radio.
Des émetteurs en
tungstène à surface
nanostructurée pour
l’adaptation du spectre
infrarouge.
41
La nanotechnologie
Icare II, un planeur à
énergie solaire, peut
accepter les mêmes
charges qu’un planeur
normal et démarrer
grâce à son énergie
propre.
En haut: à la fin d’un
vol record officieux
entre Stuttgart et Iéna.
La nanotechnologie pour le sport et les loisirs
La sophistication continue de la technologie,
qui atteint aujourd’hui l’échelle nanométrique, redonne vie à d’anciennes idées autrefois irréalisables. Parmi celles-ci, on trouve le
concept du vol mû par l’énergie solaire.
n juin 1979, à bord du «Gossamer Albatross»,
Bryan Allen traversait la Manche, propulsé par
la simple force d’un mouvement de pédalier et
remportait le prix Kremer d’une valeur de
100 000 livres sterling. La construction poids plume
du «Gossamer Albatross», dessiné par Paul MacCready,
a été rendue possible par les nouveaux matériaux.
En 1981, un vol longue distance était réalisé
exclusivement à l’aide d’énergie solaire, mais l’engin,
le «Solar Challenger», était extrêmement fragile.
E
Au début des années 1990, en mémoire du
malheureux pionnier de l’aviation Albrecht Ludwig
Berblinger (le célèbre «tailleur d’Ulm»), la ville d’Ulm
organisa un concours visant à mettre au point un
aéronef pratique alimenté par de l’énergie solaire.
En juillet 1996, le planeur Icare II construit par
l’université de Stuttgart remporta le concours avec
une avance confortable.
42
La NASA a mis au point un substitut potentiel aux
satellites: l’aéronef solaire expérimental «Helios»,
maintenu dans les airs le jour par l’énergie solaire et
la nuit par une unité de piles à combustible
«rechargeables». Son altitude maximale s’élève à près
de 30 000 mètres.
En 2003, des spécialistes de la thermodynamique, de
l’aérodynamique, des systèmes électriques, des
matériaux composites, de la photovoltaïque, de la
transformation énergétique et de la simulation
informatique – la nanotechnologie est bien
représentée dans presque tous ces secteurs – se sont
réunis en Suisse pour débattre d’un projet visant à
faire décoller l’usage des nouvelles technologies au
profit d’un avenir respectueux de l’environnement.
Un décollage au sens littéral: vers 2009, ce projet
ambitieux devrait emmener Bertrand Piccard et Brian
Jones, qui ont réalisé le tour du monde en ballon en
1999, tout autour du globe une fois de plus, mais dans
un engin mû par la seule énergie solaire!
Un yacht muni de moteurs à pile
à combustible créé par MTU, à
Friedrichshafen sur le lac de
Constance. La nanotechnologie
peut aider ces véhicules à
combiner efficacité et élégance:
une autre idée envisageable
concerne des voiles composées de
piles solaires textiles flexibles,
mais dans ce cas, le matériau
devrait être foncé.
Le «ver d’air» de l’université de Stuttgart. Il doit
servir de station de relais pour la radiotéléphonie.
Le projet pourrait également conférer à ces nouvelles
technologies le respect qu’elles méritent et donner
naissance à toute une gamme de nouveaux véhicules,
comme l’aéronef solaire commandé par ordinateur,
des capteurs et le système Galileo, qui pourrait
emmener les profanes dans les airs sans bruit ni sans
émissions. La liberté par-delà les nuages sera illimitée!
Les catamarans solaires pourraient sillonner les lacs
du Mecklembourg; les «pédélecs», des bicyclettes
assistées électriquement, aideront les personnes âgées
à remonter sur un vélo. Un peu partout, de petits
Étude de conception de la
société Fuseproject: une pile
à combustible alimente ce
scooter-trottinette en
silence.
véhicules électriques sont mis au
point pour éviter que les villes des
zones en phase d’industrialisation
rapide ne disparaissent dans un
brouillard de pollution.
Le catamaran solaire construit par la société Kopf Solardesign GmbH navigue à Hambourg et dans ses environs.
43
Les visions
Des nanotubes et Bételgeuse, une étoile géante
dans l’atmosphère de laquelle on trouve des
fullérènes.
La «rue des jetées»
A
vec la nanotechnologie, même les systèmes de
transport les plus utopiques sont concevables,
comme la «rue des jetées». Si on parvient à
développer des muscles artificiels pratiques – on y
travaille pour l’instant -, on pourrait imaginer une rue
jalonnée d’éléments de signalisation, des jetées, qui
transportent des objets par simple attraction. Comme
les flagelles des cellules, les cils, qui évacuent la saleté
des poumons. Ou comme des pantoufles qui
glissent sur le sol. L’idée peut laisser la place à
de nombreuses améliorations. En tout cas, de
petits moteurs linéaires fonctionnant selon
ce principe, actionnés par des muscles
végétaux ou «forisomes», sont sérieusement
envisagés. Parmi les autres candidats aux
muscles artificiels, on trouve les fabriques de
nanotubes de carbone. Même cette idée n’est
pas aussi fantaisiste que l’ascenseur menant aux
planètes, que la NASA étudie pourtant et qui fut
imaginé en premier lieu par le pionnier russe de
l’espace Constantin Edouardovitch Ziolkovsky.
Des nanotubes de carbone
pour l’ascenseur vers l’orbite
L
a recette est venue de l’espace: de nombreux
éléments différents circulent dans les coquilles
d’étoiles anciennes comme Bételgeuse, une
géante rouge. Si ces éléments réagissent
chimiquement l’un avec l’autre, il se forme des
nanocristaux, comme du carbure de silicium, de
l’oxyde de silicium, du corindon, voire du diamant,
comme l’a déjà indiqué l’étude de météorites
composées de ces poussières. Afin d’en savoir plus, les
scientifiques ont reproduit les conditions de ces
coquilles d’étoiles en laboratoire et ont trouvé en 1985
des traces d’une substance totalement inconnue.
Il s’agissait d’un nouveau composé de carbone, une
molécule creuse très semblable à un ballon de
football. Une étude récente du ciel a montré que cette
molécule est présente également dans les coquilles
des étoiles.
Constantin Edouardovitch Ziolkovsky.
44
Les fullérènes, des cavités de réseaux de carbone, constituent des
perspectives prometteuses pour la recherche de matériaux exotiques.
Des molécules
géantes qui font
office
d’ordinateurs
pilotes: les
nanotubes
pourraient
constituer le
fondement des
puces de haute
performance du
demain.
Vision: un
ascenseur vers les
planètes.
Robert Curl, avec, sur le bout des doigts,
les fullerènes qui lui ont valu
le prix Nobel.
Aujourd’hui, on connaît déjà de nombreuses variantes
des carbones réticulés, y compris les nanotubes, de
minuscules tubes de carbone qui peuvent être tissés
pour créer des matériaux extrêmement compacts. La
question technique d’une production en série de ces
nanotubes est en principe résolue.
Entre-temps, d’aucuns ont attribué à ces fibres
composites de nanotubes matures des résistances
astronomiques à la traction et à la fracture. Très
sérieusement, la NASA planche pour l’instant sur un
projet qui – par une sorte de tour de la corde hindoue
– vise à mettre au point un «ascenseur pour les
étoiles». Selon un scénario, une bande de matériau
composite de nanotube d’un mètre de largeur et plus
fine que le papier sera étirée dans l’espace au moyen
d’une fusée classique et de la technologie des
satellites. Une extrémité serait installée à une altitude
de près de 100 000 kilomètres, tandis que l’autre
serait attachée quelque part près de l’équateur, dans
l’océan Pacifique. La bande serait tendue par la force
de gravitation de la terre d’un côté et par une force
centripète de l’autre. Des charges de plusieurs tonnes
pourraient alors être transportées le long de cette
bande avant d’être mises en orbite, voire jusqu’à des
orbites situées entre Vénus et la ceinture d’astéroïdes.
Les retombées utiles de telles visions? Des matériaux
de construction très résistants pour les bâtiments de
grande taille, les ponts et, bien entendu, les
ascenseurs.
45
Les possibilités et
les risques
L
e potentiel de la nanotechnologie pour faire le
bien, ou du moins pour faire du profit, est
immense. Avec les innovations de nombreux
domaines d’application, la nanotechnologie affiche
un potentiel commercial énorme. Des centaines
d’entreprises européennes participent déjà à l’application commerciale de la nanotechnologie, créant des
dizaines de milliers d’emplois, généralement
hautement qualifiés. Dans ce contexte, les scientifiques et les hommes d’affaires sont unanimes: la
nanotechnologie est bien plus qu’une nouvelle mode.
Trop beau pour être vrai? Une supercolonie, qui ne
semble être possible qu’en théorie, a déjà fait son
chemin dans la littérature: dans le roman à succès
La proie de Michael Crichton, des essaims de
nanoparticules intelligentes se rassemblent pour
former des êtres semi-intelligents qui attaquent leurs
créateurs. Autre vision sombre, celle du nanoprophète
américain Eric Drexler, qui conçoit un monde menacé
par la «mélasse grise»,
un nuage gris de
nanorobots.
Compte tenu du problème
des «gros doigts collants»,
le scénario de la «mélasse
grise»d’Eric Drexler est
aussi improbable que
l’idée que la technologie
pourrait transformer le
monde en petits
nounours.
Eric Drexler estime
en effet qu’il est
possible de construire
des robots d’une
taille de quelques
millionièmes de
millimètre, contrôlés
par des programmes
et capables de créer
quelque chose de
nouveau et de plus grand à partir des matières
premières disponibles. Et si le processus échappait à
la maîtrise de l’homme, plutôt que de produire un
résultat magnifique, il créerait cette mélasse grise,
qui serait contagieuse et dangereuse pour l’homme et
la machine.
La plupart des experts ne prennent pas cette
hypothèse au sérieux. Parmi eux, Richard Smalley,
prix Nobel de chimie en 1996, qui souligne la
singularité des liaisons chimiques, qui empêche tous
les atomes ou toutes les molécules de se combiner
entre eux.
46
Cette seule considération rend l’idée d’un nanobot,
d’un robot ou d’assembleur nanométrique hautement
improbable. Dans ce cas, si un tel «assembleur» devait
assembler la matière atome par atome, il devrait
utiliser des «doigts», composés à leur tour d’atomes et
nécessairement d’une épaisseur minimale donnée.
Cela ne concernerait pas uniquement l’atome
sélectionné; tous les atomes d’un nanomètre cube
devraient être vérifiés lors de l’assemblage, et les
doigts seraient obligatoirement dans le chemin.
Richard Smalley, Prix Nobel
de chimie, estime que les
risques liés à la
nanotechnologie peuvent être
maîtrisés."
Voilà pour le problème des gros doigts. À cela vient
s’ajouter celui des doigts collants: selon leur type, les
atomes saisis ne pourraient pas être simplement
ramassés et redéposés, mais se mettraient à former
des liaisons. Comme on le sait, il n’est pas facile de
détacher un globule collant de ses doigts. Ce sont là
des arguments essentiels qui ne peuvent être
contournés aisément. Les nanobots mécaniques
relèvent dès lors de l’impossible. Richard Smalley
pourrait avoir raison: il n’y a aucun raison de craindre
que des armées de nanomachines déferlent sur le
monde et le transforment en mélasse grise.
une réponse le plus vite possible à travers des
expériences adéquates menées par des
nanochercheurs et des toxicologues. Quoi qu’il en
soit, les risques semblent gérables parce que les
nanoparticules rencontrées dans la nature sont
extrêmement «collantes». Elles se rassemblent très vite
pour former de grandes masses dont le corps peut se
débarrasser très facilement. On sait déjà que certaines
nanoparticules ne sont pas nocives pour la santé. Elles
servent alors de facteur de protection dans des crèmes
solaires, ou sont mélangées à d’autres matières sous
forme liée. Ainsi, l’utilisateur n’entre même pas en
contact avec les nanoparticules isolées. L’industrie
applique également les mesures de sécurité qui
s’imposent afin d’exclure tout risque pour la santé de
ses clients ou de ses travailleurs.
Il pourrait toutefois y avoir de bonnes raisons de
craindre que les nanoparticules aient des effets
indésirables sur l’homme et l’environnement.
Par exemple, les nanoparticules pourraient nuire à la
santé en raison de leur taille, qui leur permet de
pénétrer dans les cellules du corps et même de briser
des barrières biologiques, comme la barrière sangcerveau. Étant donné que les nanoparticules –
notamment d’autres poussières ultrafines comme la
suie de diesel dans les gaz d’échappement des
véhicules – sont des substances qui peuvent causer
des effets secondaires inconnus, des recherches
scientifiques doivent d’abord être menées pour
vérifier que ces particules sont sûres. Pour l’instant,
on en sait très peu sur la sécurité des nanoparticules,
de sorte que les questions en suspens doivent trouver
Alors que l’avenir des nanobots est toujours
entièrement hypothétique, les promesses formulées
par les spécialistes de la matière travaillant à l’échelle
nanométrique semblent bien réelles. Les premiers
produits sont déjà disponibles, comme les têtes de
lecture à haute sensibilité pour disques durs
recouvertes de fines couches de vingt nanomètres ou
moins. La nanoélectronique se rencontre également
déjà dans tous les ordinateurs portables. Comme toute
technologie à fort potentiel, la nanotechnologie aura
évidemment des effets collatéraux, rendant de
nombreuses tâches simples superflues. De nouvelles
sphères d’activité seront créées à leur place.
L’apprentissage tout au long de la vie devient de plus
en plus important, mais cela aussi peut être amusant
avec la nanotechnologie.
47
Comment devenir nano-ingénieur?
L
es visiteurs d’un centre de recherche menant
d’intenses travaux en matière de
nanotechnologie pourront reconnaître toutes les
disciplines des sciences naturelles côte à côte:
biologistes, chimistes, ingénieurs de tout poil,
cristallographes, minéralogistes, physiciens, etc. Tous
ont un dénominateur commun, le niveau atomique,
et une langue commune, les mathématiques. Les
cours de sciences naturelles classiques peuvent donc
tous mener à la nanotechnologie, bien que cette
dernière commence à s’implanter comme une
discipline à part entière, notamment à l’université de
Würzburg. Comme le dit Alfred Forchel de la faculté
de physique de l’université de Würzburg, ceux qui
choisissent la nanotechnologie ne doivent pas
craindre de plonger dans une tendance à court terme
(extrait du journal officiel 10/2003 de l’université de
Würzburg).
«La tendance à la miniaturisation n’étant pas éphémère et
s’appuyant déjà sur une longue histoire, il est probable que
dans de nombreux secteurs, les applications descendront
jusqu’à des échelles toujours plus petites – de micro à nano
pour ainsi dire – dans chaque discipline, des technologies de
l’information à la chimie. Il ne faut pas être devin pour voir
que tout continuera à diminuer de taille – les matériaux de
construction n’étant qu’un exemple parmi tant d’autres -,
jusqu’au niveau le plus bas possible.»
Les physiciens, chimistes et autres spécialistes des
sciences naturelles peuvent affirmer à juste titre
qu’ils ont déjà été d’une manière ou l’autre été
confrontés à la nanotechnologie. Les thèmes de la
physique nucléaire classique, les molécules étudiées
par les chimistes sont autant d’habitants du
nanocosmos. Avec les capacités expérimentales
d’aujourd’hui, comme la structuration atomique
détaillée des amas, les couches ou les puces, ainsi
qu’avec les substances d’une pureté extrême et la
recherche des structures biologiques les plus fines
48
s’est ouverte une corne d’abondance de possibilités
entièrement nouvelles, qui profiteront également à
l’ingénierie d’application. Alfred Forchel juge très
bonnes les perspectives professionnelles des nanoingénieurs:
«Bien entendu, les opportunités de décrocher un emploi dans
notre secteur dépendent aussi de la santé de l’économie,
comme dans n’importe quel domaine. Mais ce sont souvent
les petits détails qui font toute la différence: si les entreprises
sont aux prises avec des montagnes d’applications, il est
évidemment difficile d’en faire ressortir une. Si l’on propose
une formation pratique dans l’industrie, l’étudiant en saura
un plus sur une entreprise au moins. Nos étudiants peuvent
également rédiger leur thèse tout en travaillant, ce qui les
rapproche encore d’un emploi. Ils étudient également au
moins une matière non technique, comme la gestion
d’entreprise, de manière à posséder d’autres compétences de
base importantes pour la vie professionnelle.»
Pour les nano-ingénieurs, rien ne vaut une formation
en sciences naturelles pures, y compris en
mathématiques, que ce soit à Würzburg ou ailleurs.
Il ne suffit pas de rêver de mettre au point sous-marin
miniature voyageant dans les veines. Il faut
énormément de temps et de travail avant d’arriver à
ce stade. Il faut apprendre à décrire les choses
mathématiquement et avoir une bonne connaissance
de disciplines fondamentales comme la physique ou
la chimie. Il n’y a toutefois aucune raison de se laisser
intimider: vos nano-fantasmes vous seront toujours
utiles.
Le sous-marin dans les veines n’était que de la fiction;
la nanotechnologie est un peu différente, mais vous
pouvez y trouver votre compte.
Contacts, liens, littérature
Veuillez noter que la présente brochure provient du ministère fédéral allemand de la recherche (BMBF). Elle a donc été initialement rédigée à l’intention d’un
public allemand. Pour les liens vers des études, de la littérature et des sites Internet européens autres qu’allemands, nous vous renvoyons au portail Internet de
la Commission européenne sur la nanotechnologie (www.cordis.lu/nanotechnology).
Cours dans le domaine de la
nanotechnologie
Techniques nanostructurelles
Université de Würzburg
Site Internet: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/nano/
Contact: [email protected]
Biotechnologies et nanotechnologies
École supérieure technique de Westphalie du Sud, Iserlohn
Site Internet: http://www2.fh-swf.de/fb-in/studium.bnt/bnt.htm
Sciences moléculaires
Université d’Erlangen-Nuremberg
Site Internet: http://www.chemie.uni-erlangen.de/MolecularScience
Littérature
BMBF-Programm IT-Forschung 2006 - Förderkonzept
Nanoelektronik
Pub.: Federal Ministry of Education and Research; Bonn, March, 2002.
Vom Transistor zum Maskenzentrum Dresden,
Nanoelektronik für den Menschen
Pub.: Federal Ministry of Education and Research; Bonn, October,
2002.
Nanotechnologie erobert Märkte- Deutsche
Zukunftsoffensive für Nanotechnologie
Pub.: Federal Ministry of Education and Research; Bonn, March 2004.
Bachmann, G.:
Innovationsschub aus dem Nanokosmos: Analyse &
Bewertung Zukünftiger Technologien (Band 28)
Pub.: VDI Technology Center for the BMBF; 1998.
Microtechniques et nanotechniques
École supérieure technique de Munich
Site Internet: http://www.fh-muenchen.de/home/fb/fb06/
studiengaenge/mikro_nano/home.htm
Luther, W.:
Anwendungen der Nanotechnologie in
Raumfahrtentwicklungen und –systemen
Technology analysis (Vol. 43)
Pub.: VDI Technology Center, for the DLR; 2003
Sciences nanomoléculaires
Université internationale de Brême
Site Internet: http://www.faculty.iu-bremen.de/plathe/nanomol
Wagner, V; Wechsler, D.:
Nanobiotechnologie II: Anwendungen in der Medizin und
Pharmazie
Technology definition (Vol. 38)
Pub.: VDI Technology Center, for the BMBF; 2004.
Sciences nanostructurelles - Nanostructures et sciences
moléculaires
Université de Kassel
Site Internet: http://www.cinsat.uni-kassel.de/studiengang/
studiengang.html
Licence expérimentale, licence en biophysique ou
nanosciences
Université de Bielefeld
Site Internet: http://www.physik.uni-bielefeld.de/nano.html
Microstructures et nanostructures
Université de la Sarre
Site Internet: http://www.uni-saarland.de/fak7/physik/
NanoMikro/InfoMikroNano.htm
Hartmann, U.:
Nanobiotechnologie – Eine Basistechnologie des
21.Jahrhunderts
ZPT, Saarbrücken, 2001.
Rubahn, H.-G.:
Nanophysik und Nanotechnologie
Teubner Verlag 2002
Werkstoffinnovationen für Industrie und GesellschaftWING
Pub.: Federal Ministry of Education and Research; Bonn, October
2003.
Liens
Portail communautaire de la nanotechnologie
www.cordis.lu/nanotechnology
News und Diskussionsforen zur Nanotechnologie
www.nano-invests.de
Portail européen de la nanotechnologie
www.nanoforum.org
Promotion de la nanotechnologie en Allemagne
http://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php
Nanotruck-Reise in den Nanokosmos
www.nanotruck.net
Portail du VDI-TZ sur la nanotechnologie
www.nanonet.de
Internetreise-Abenteuer hinterm Komma
www.nanoreisen.de
49
Glossaire
ADN: acide désoxyribonucléique. Molécule géante en
forme de double hélice contenant les informations
nécessaires à la constitution d’un organisme et les
formules pour une infinité de protéines.
Amas: agglomération de particules minuscules, dans
ce cas des atomes. Les amas possèdent généralement
diverses propriétés pour la forme solide d’un même
matériau, entre autres parce qu’ils contiennent une
plus grande part d’atomes de surface.
Champs microlenticulaires: éléments micro-optiques
importants pour des opérations comme la
transmission d’informations par le biais de la
lumière.
CNT: nanotube de carbone
Courant de tunnel: courant censé ne pas circuler
parce qu’il passe dans un creux isolant, mais qui peut
circuler dans le nanocosmos. Si c’est le cas, il sera
fortement tributaire de la dimension du creux isolant.
C’est cet effet qui a permis la mise au point du
microscope à effet tunnel.
Diatomées: minuscules créatures unicellulaires
rencontrées dans les eaux froides et salées, dotées
d’une coquille très élaborée composée de dioxyde de
silicium et d’eau. Les diatomées sont capables de
photosynthèse et possèdent également des structures
photoconductrices.
Doubleur de fréquence: ici, matériau doublant la
fréquence de la lumière, transformant par exemple la
lumière infrarouge en lumière verte.
ESEM: Environmental Scanning Electron Microscope,
microscope à balayage électronique spécial qui
accepte l’air et l’humidité dans le support
d’échantillon. Les lentilles ne doivent pas être traitées
avec de la vapeur d’or notamment.
Fil à fibre optique: fil dirigeant la lumière sur de
longues distances à travers un matériau extrêmement
transparent, généralement pour la transmission de
données, mais aussi et de plus en plus pour la
transmission d’énergie.
50
Fils de bysse: également connus sous le nom de «soie
de moule» ou «barbe de moule». Fils techniquement
sophistiqués créés par les moules pour s’accrocher à
des surfaces. Ils sont élastiques comme du caoutchouc
à une extrémité et aussi rigides que du nylon à
l’autre.
Forisomes: protéines végétales baptisées dérivées d’un
terme latin signifiant «feuille de porte». Elles sont
aujourd’hui étudiées comme candidates pour les
muscles artificiels nanoscopiques.
Laboratoire sur puce: puces hautement sophistiquées,
désormais en phase finale développement, qui, avec
l’aide de la micromécanique, de microfluides, de
nanocapteurs et de la nanoélectronique, peuvent
réaliser des examens complexes de cellules qui,
autrement, exigeraient les ressources de tout un
institut de recherche. Ce terme désigne également les
supports d’objets imprimés par voie microscopique
relativement simples.
Laser à électron libre: dispositif générant de la
lumière laser grâce à un faisceau d’électrons accélérés
passant dans un tube sous vide.
Leucocytes: globules blancs qui défendent l’organisme
en phagocytant les corps étrangers présents dans le
sang comme les virus et les bactéries, ainsi que les
résidus de cellules ou cellules cancéreuses, ou qui,
sous la forme de lymphocytes, produisent des
anticorps. Les anticorps sont des molécules adhésives
très spécifiques.
Liaison de van der Waals: liaison chimique faible
entre molécules dont la cause ultime réside dans les
propriétés des espaces vides des molécules. Les
liaisons de van der Waals déterminent également les
propriétés de l’eau et, partant, de tous les processus
vivants.
Lithographie: ici, technique de production de
structures microscopiques, généralement au moyen
d’un enduit photoréactif gravé à l’aide de faisceaux
lumineux ou d’électrons, développé et fournissant ou
conservant ensuite certaines parties de leur surface
pour l’inscription ou d’autres processus.
Masque: type de pellicule transparente contenant le
dessin et la configuration d’une puce informatique,
qui est ensuite transféré par lithographie sur des
tranches.
Rayonnement par rayons X: rayonnement
électromagnétique à onde courte utilisé entre autres
pour l’analyse de la structure des cristaux visant à
déterminer la forme nanoscopique des molécules.
Micelles: petites structures sphériques utilisées par la
nature, dans ce cas les moules, comme conteneurs de
transport.
Rayonnement UV: rayonnement à onde courte
permettant la production de structures de puces très
fines.
Ordinateur quantique: appareil faisant appel aux
règles caractéristiques de la mécanique quantique
pour résoudre des problèmes, comme le codage de
l’information, pratiquement insolubles avec des
ordinateurs conventionnels. N’a pas dépassé le stade
théorique.
Réflectines: protéines spéciales utilisées par les
organismes pour créer des structures réfléchissant la
lumière.
Phase: ici, condition ou état, tel qu’arrangé/aléatoire
ou cristallin/amorphe.
Photosynthèse: les plantes vertes, les algues et les
cyanobactéries (algues bleues) tirent leur énergie de la
photosynthèse. À l’aide de la lumière du soleil, elles
transforment le dioxyde de carbone et l’eau en sucre
et en oxygène. La photosynthèse affiche un
rendement énergétique primaire étonnant de plus
de 80%.
Ribosomes: nanomachines capables de produire une
infinité de protéines et contrôlées par une bande
moléculaire contenant les informations du matériau
génétique ADN.
Semiconducteur: matériau dont les propriétés
électriques peuvent être ajustées avec précision pour
devenir un isolateur ou un conducteur. Les
semiconducteurs sont devenus l’un des composants
les plus importants des produits industriels modernes
comme les ordinateurs et les téléphones portables.
Piézocristaux: les piézoéléments génèrent de
l’électricité lorsqu’ils sont comprimés ou étirés,
comme les étincelles des briquets «électroniques».
Inversement, un cristal piézoélectrique peut être
façonné par le courant électrique jusqu’à une fraction
du diamètre d’un atome.
Pile à combustible: dispositif dans lequel l’hydrogène
et l’oxygène (généralement de l’air) réagissent sans
combustion pour former de l’eau, produisant de
l’énergie électrique pour un niveau d’efficacité élevé.
Protéines: grandes molécules composées de ribosomes
dérivés d’acides aminés, qui agissent dans les cellules
en partie en tant qu’outils nanoscopiques et en partie
en tant que matériaux de construction, des lentilles
oculaires aux ongles. Le décodage du protéome, la
somme de toutes les protéines et de leurs interactions
dans une cellule, n’en est qu’à ses débuts.
51
Crédits
P. 4, en haut: Centre de compétence en nanoanalytique, université de
Hambourg
P. 4, en bas: Lambda Physik AG, Göttingen
P. 5, en haut: Infineon Technologies AG, Munich
P. 5, en bas: BergerhofStudios, Cologne
P. 6, en haut à gauche: Chemical Heritage Foundation
P. 6, en haut+en bas, à droite, en bas, à gauche: BergerhofStudios, Cologne
P. 7, en haut à gauche: NASA/ESA
P. 7, en haut à droite: DESY, Hambourg
P. 7, au milieu à gauche: BergerhofStudios, Cologne
P. 7, en bas à droite: Institut de physique expérimentale et appliquée,
université de Kiel
P. 8, en haut à gauche: REM-Labor, université de Bâle
P. 8, depuis le haut: BergerhofStudios, Cologne; dto.; dto.; REM-Labor,
université de Bâle; Comité Nobel, Stockholm (retravaillé); DESY,
Hambourg
P. 9, en haut à gauche: Institut de botanique, université de Bonn
P. 9, en haut à droite: REM-Labor, université de Bâle
P. 9, depuis le haut: BergerhofStudios, Cologne; dto.; Fraunhofer Gesellschaft;
Institut de botanique, université de Bonn; dto.; TU Berlin, FU Berlin
P. 9, image de fond: BASF AG
P. 10, en haut à gauche + droite: MPI für Metallforschung, Stuttgart
P. 10, au milieu à droite: ESA
P. 10, en bas à gauche: MPI für Metallforschung, Stuttgart
P. 11, en haut à gauche: Ostseelabor Flensburg, à côté: BergerhofStudios,
Cologne
P. 11, en haut à droite: Université de Florence, Italie
P. 11, au milieu à droite: Institut de paléontologie, Université de Bonn
P. 11, en bas à gauche: BergerhofStudios, Cologne
P. 11, en bas à droite: SusTech, Darmstadt
P. 12, en haut au milieu et à droite: Bell Laboratories, USA
P. 12, à gauche: faculté de biochimie, université de Ratisbonne
P. 13, en haut: Institut des nouveaux matériaux, Sarrebruck
P. 13, au milieu à droite: Degussa AG Advanced Nanomaterials
P. 13, en bas à droite: Institut de géophysique, université de Munich
P. 13, en bas: Institut de chimie physique, université de Hambourg
P. 14, en haut + en bas, à gauche: ESA
P. 14, en bas, à droite: IBM Corporation
P. 15, en haut + au milieu, à gauche: Physik IV, université d’Augsbourg
P. 15, au milieu, à droite+au milieu: Centre de compétence en
nanoanalytique, université de Hambourg
P. 15, graphique en bas à droite: BergerhofStudios, Cologne
P. 15, en bas: Université de Hawaii, Honolulu
P. 16, à gauche: Carl Zeiss SMT AG, Oberkochen
P. 17, en haut à droite: Carl Zeiss SMT AG, Oberkochen
P. 17, en bas à gauche: IHT RWTH Aix-la-Chapelle
P. 17, en bas à droite: Schott AG, Mayence
P. 18, en haut à gauche: Bayer AG, Leverkusen
P. 18, en bas à gauche: MPI für Quantenoptik, Garching
P. 19, toutes les illustrations: DESY, Hambourg
P. 20, en haut à gauche: BergerhofStudios, Cologne
P. 20, en bas à droite: Institut des nouveaux matériaux, Sarrebruck
P. 21, en haut à gauche: HILIT, programme communautaire Joule III
P. 21, en haut à droite: NASA/ESA
P. 21, en bas à droite: université de Stuttgart
P. 22, toutes les illustrations: BergerhofStudios, Cologne
P. 23, en haut, à gauche: National Semiconductor, Feldafing
P. 23, en bas à droite: Advanced Micro Devices, Dresde
P. 24, en haut à droite: graphique: BergerhofStudios, Cologne
P. 24, au milieu à gauche: Faculté de physique expérimentale IV, RUB,
Bochum
P. 24, en bas: Institut de physique expérimentale et appliquée,
Université de Kiel
52
P. 25, en haut à droite: graphique: BergerhofStudios, Cologne
P. 25, en bas: IHT RWTH Aix-la-Chapelle
P. 26, en haut à droite: IBM Corporation
P. 26, en bas à gauche: Infineon Technologies AG, Munich
P. 26, en bas, à droite: IBM/Infineon, MRAM Development Alliance
P. 27, en haut: Faculté de physique expérimentale IV, RUB, Bochum
P. 27, au milieu: Centre de compétence en nanoanalytique, université de
Hambourg
P. 27, à droite: Faculté de nanoélectronique, RUB, Bochum
P. 27, en bas: IBM Speichersysteme Deutschland GmbH, Mayence
P. 28: Siemens AG, Munich
P. 29, en haut à droite: Nanosolutions GmbH, Hambourg
P. 29, au milieu: Institut des nouveaux matériaux, Sarrebruck
P. 30, en bas: Siemens AG, Munich
P. 30, en haut: DaimlerChrysler AG
P. 30, en bas à gauche: Fraunhofer Allianz Optisch-funktionale Oberflächen
P. 30, en bas à droite: Université du Wisconsin-Madison
P. 31, en haut: Robert-Bosch GmbH, Stuttgart
P. 31, au milieu: Audi/Volkswagen AG
P. 31, en bas à gauche: VW Pressearchiv
P. 31, en bas à droite: Robert-Bosch GmbH, Stuttgart
P. 32, en haut à droite: Institut des nouveaux matériaux, Sarrebruck
P. 32, en bas à gauche: Keramag AG, Ratingen
P. 33, en haut: BASF AG, Ludwigshafen
P. 33, au milieu: MTU Friedrichshafen
P. 33, en bas à droite: Siemens AG, Munich
P. 34, en haut à droite: Siemens AG, Munich
P. 34, en bas: Infineon Technologies AG, Munich
P. 35, en haut à gauche: Siemens AG, Munich
P. 35, en haut à droite: Siemens AG, Munich
P. 35 au milieu: Charité Berlin / Institut des nouveaux matériaux, Sarrebruck
P. 36, en haut à droite: BergerhofStudios, Cologne
P. 36, à gauche: Infineon Technologies AG, Munich
P. 36, à droite: IIP Technologies, Bonn
P. 37, en haut à droite: Fraunhofer ISIT
P. 37, au milieu à droite: université d’Oxford
P. 37, en bas à gauche, à droite: Infineon Technologies AG, Munich
P. 38, en haut à gauche: OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Ratisbonne
P. 38, en bas: graphique: BergerhofStudios, Cologne
P. 39, en haut: Park Hotel Weggis, Suisse
P. 39, en bas: Siemens AG, Munich
P. 40, en haut, à gauche: BergerhofStudios, Cologne
P. 40, en bas à gauche: Bayer AG, Leverkusen
P. 41, en haut: AIXTRON GmbH, Aix-la-Chapelle
P. 41, à droite: Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire,
Fribourg
P. 42: Institut de construction aéronautique, Université de Stuttgart
P. 43, en haut à gauche, à droite: MTU Friedrichshafen
P. 43, au milieu à gauche: Institut de construction aéronautique et
astronautique, université de Stuttgart
P. 43, au milieu à droite: Fuseproject
P. 43, en bas: Kopf Solardesign GmbH, Hambourg
P. 44, en haut, à gauche: collage: BergerhofStudios, Cologne
P. 44, en bas à droite: RWTH, Aix-la-Chapelle
P. 45, en haut à droite: Infineon Technologies AG, Munich
P. 45, en bas: NASA
P. 46, au milieu: BergerhofStudios, Cologne
P. 47: IBM Corporation, Insert: Siemens AG, Munich
53
EUR 21151 — La nanotechnologie - L’innovation pour le monde de demain
Luxembourg: Office des publications officielles des Communautés européennes
2004 — 56 pp. — 21,0 x 29,7 cm
ISBN 92-894-8887-5
15
L’objectif de la présente brochure consiste à montrer au public ce qu’est la nanotechnologie et à
encourager le débat. En décrivant le contexte scientifique, les développements technologiques, les
domaines d’application et les débouchés potentiels, cette brochure dresse un tableau complexe et
complet de la nanotechnologie telle que nous la percevons au quotidien.
KI-59-04-968-FR-C
La nanotechnologie est considérée comme la principale technologie du XXIe siècle. Elle est capable
d’offrir des solutions à de nombreux problèmes contemporains grâce à des matériaux, composants
et systèmes plus petits, plus légers, plus rapides et plus performants. Elle offre de nouvelles
opportunités commerciales et peut apporter une contribution essentielle à la protection de
l’environnement et de la santé.

La nanotechnologie - CORDIS

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