INTRODUCTION

THEMES
Nanotechnologie
histoire
définition
Microscopes
Microscope à effet tunel
Microscope à force atomique
Inconvénients de certaines techniques
Manipulations atomiques
Exemples de nanosystèmes Nanotubes de carbone
Transistors organiques
Nanobiotechnologies
Presse (extraits)
Qu'entend-on par nanotechnologies?
Nanotechnologies et perspectives industrielles

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Pourquoi ne pourrions-nous pas écrire les 24 volumes de l’Encyclopedia Brittanica dans une tête d‘épingle ?

Cette question, qui peut sembler tout à fait pertinente de nos jours, a été posée par le prix Nobel de physique Richard Feyman dans un discours prémonitoire lors d’une conférence de l’American Physics Society à l’Institut de Technologie de Californie (Caltech) en 1959 (pour le discours complet de Feyman (en anglais), allez dans nos ressources).

Feyman y avance l’idée, qu’a priori, les lois de la physique autoriseraient tout à fait la manipulation et l’assemblage d’atomes et de molécules un à un.

Le terme de « nanotechnologie » a, quant à lui, été utilisé pour la première fois par le Professeur Norio Taniguchi de l’Université de Tokyo en 1974. Ce terme fut ensuite popularisé par Eric Drexler dans les années 1980 qui prédisait la possibilité, dans un futur proche, de manipuler la matière à l’échelle du nanomètre. C’est bien là la principale particularité de la nanotechnologie : la dimension nano à laquelle on manipule la matière.

Encore, tout au début des années 80, le fait d’envisager la manipulation des atomes et des molécules un à un relevait du rêve. Ce rêve devint réalité en 1982 avec l’invention du microscope à effet tunnel (STM) et du microscope à force atomique (AFM) par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer d’IBM, inventions qui furent récompensées par un prix Nobel en 1986.

Comme il arrive souvent en sciences, la vérification ou l’application de concepts théoriques nécessite d’abord l’élaboration d’outils nécessaires à cet effet. Ainsi, pour mieux comprendre ce que sont les nanotechnologies et les méthodes utilisées pour manipuler la matière à cette échelle, il est utile d'aller voir ce que sont les microscopes STM et AFM.

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Définition

Le terme nano (du grec nannos qui signifie « nain ») est un préfixe, qui placé devant une unité la divise par le facteur 109. Un nanomètre correspond donc à un milliardième de mètre. A titre indicatif, et pour donner une idée de l’échelle à laquelle on se place rappelons que :

• Le diamètre de l’atome d’hydrogène est de l’ordre de 0,1 nanomètre
• La largeur de la molécule d’ADN est de 2,5 nanomètres
• Les circuits de microélectronique actuels ont une taille de quelques 200 nanomètres
• Un globule rouge mesure 1000 nanomètres de diamètre
• Une feuille de papier de 100 micromètres d’épaisseur (un micromètre = un millionième de mètre) est constituée par l’agencement d’à peu près 400000 atomes.

Les nanotechnologies désignent des disciplines où la matière est manipulée à l’échelle atomique et moléculaire pour créer de nouveaux matériaux et procédés. Ce n’est pas simplement l’étude de l’infiniment petit, c’est l’application pratique de ces connaissances. Il y a deux chemins qui mènent au nanomonde : la fabrication moléculaire, qui passe par la manipulation d’atomes individuels (construction à partir de la base), et l’ultraminiaturisation, qui produit des systèmes de plus en plus petits (travail à partir du sommet).

On distingue trois secteurs principaux dans le nanomonde:

• La nanoélectronique. Elle s’inscrit dans le prolongement de la microélectronique, plus particulièrement pour les ordinateurs, mais à des échelles nettement plus petites.
• La nanobiotechnologie. Elle combine l’ingénierie nanométrique et la biologie pour manipuler des organismes vivants ou construire des matériaux inspirés des systèmes moléculaires biologiques.
• Les nanomatériaux. Il s’agit de contrôler précisément, aux dimensions nanométriques, la morphologie de substances ou particules en vue de construire des matériaux nanostructurés.

Dans tous ces domaines de recherche, qui se recouvrent partiellement, on retrouve les mêmes outils utilisés pour mesurer et manipuler des structures "ultra petites", les microscopes à résolution nanométrique (microscope à effet tunnel et microscope à force atomique.

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Microscope à effet tunel

Le principe de fonctionnement de ce type de microscope repose sur l’effet tunnel (voir figure): une pointe conductrice d’électricité, usinée de manière à ce qu’elle ne se termine que par un seul atome, balaye la surface de matière à analysée à l’aide d’un système de positionnement de haute précision; si on approche cette pointe suffisamment près de la surface à étudier sans la « toucher » les électrons libres quittent cette dernière et l’on peut mesurer un courant électrique dans le vide entre pointe et surface. C'est l'effet tunnel. La valeur de ce courant dépend de la distance entre la pointe et la surface (avec une distance caractéristique de quelques angstöms, c’est-à-dire 10-10 mètres). En d’autres termes, la résistance électrique augmente exponentiellement avec la distance.

En faisant alors bouger l’échantillon à analysé sous la pointe et en ajustant la position de celle-ci de manière à maintenir un courant constant, on peut obtenir une image extrêmement précise (inférieure aux distances inter-atomiques) de la surface étudiée.

Cette technique requiert que l’échantillon à analysé soit conducteur. S’il est isolant, on peut le recouvrir d’une fine pellicule d’un matériaux conducteur (généralement un métal noble qui ne s’oxyde pas comme de l’or ou du platine) ou alors utilisé la technique de microscopie à force atomique.

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Microscope à force atomique

Ce système utilise un principe physique différent de celui du microscope à effet tunnel. Il repose sur la mesure des interactions entre les atomes.

Les interactions sont la résultante des forces électrostatiques attractives et répulsives qui agissent entre les atomes. Les forces attractives, dites forces de Van der Waals, décroissent rapidement à quelques nanomètres et les forces répulsives s’exercent quant les atomes entrent « en contact ». La pointe, généralement en nitrate de silicium (Si3N4), est solidaire d’un levier flexible (le cantilever). Quand la pointe parcourt la surface à étudier, des interactions vont avoir lieu entre les atomes de la pointe et du substrat. En mesurant la déflexion du bras de levier, on obtient une mesure directe de la force pointe-substrat. Cette déflexion est mesurée à l’aide d’un faisceau laser réfléchi par un miroir solidaire du bras de levier. Un système de rétrocontrôle maintient constante la distance (et donc aussi la force d’interaction) entre la pointe et la surface ce qui fournit une image à très haute résolution du profil du substrat analysé.

Cette technique de contact ou quasi-contact peuvent dans certains cas endommager l’échantillon (notamment les échantillons biologiques). On a ainsi développé une technique « en mode oscillant » (tapping) ou la pointe oscille à la fréquence de résonance du levier ne touchant que de manière transitoire la surface. En plus d’une image topographique, on peut également obtenir des informations sur certaines propriétés physiques de l’échantillon (viscosité et élasticité locale) par la mesure de l’énergie dissipée lors du contact transitoire.

Le microscope à force atomique concerne tous les types de matériaux, qu'ils soient isolants, conducteurs ou semiconducteurs.

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Inconvénients de certaines techniques

L’inconvénient majeur de ces techniques (microscopes  à effet tunnel et  à force atomique) est le temps nécessaire (par exemple pour pour effectuer des assemblages). Même si on avait la possibilité de déplacer quelques millions d’atomes à la fois il faudrait des milliards d’années pour fabriquer une aiguille à coudre !!!

On envisage alors la possibilité d’utiliser des microscopes STM et des AFM à plusieurs pointes, mais ça restera tout de même long.

Une autre possibilité est l’utilisation « d’assembleur », c’est-à-dire des nanomachines intelligentes fabriquées à partir d’assemblages précis d’atomes ou de molécules. Une autre approche, est celle consistant à tirer parti des propriétés de répulsion et d’attraction entre les atomes formant ainsi des nanostructures par « autoassemblage ».

Mais l’approche la plus réaliste serait l’utilisation combinée d’assemblage top-down que l’on maîtrise déjà, et bottom-up (voir rubrique manipulations atomiques).

L’utilisation des microscopes à effet tunnel ou à forces atomiques ne sont pas les seules techniques dont on dispose pour la fabrication de nanocomposants, loin de là. On peut en citer d’autres, comme par exemple :

Les techniques de photolithographie, utilisées en microélectronique. Ces techniques utilisent la lumière visible pour graver des motifs de l’ordre de 100 nm sur des puces électroniques. En utilisant des rayonnements de longueur d’onde plus courte, comme les rayons X ou l’ultraviolet, on peut effectuer des motifs de 10 à 20 nm.

La chimie des polymères et la chimie des catalyseurs, est utilisée depuis de nombreuses années dans divers processus de fabrication industrielle faisant appel à des technologies nanométriques.

Les avancées en biologie, notamment en ce qui concerne notre compréhension dans les mécanismes de réplication de l’ADN et de la synthèse des protéines, ont permis de développer une série de techniques qui pourraient être transposées à la fabrication de nanosystèmes.

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Manipulations atomiques

L’approche traditionnelle qui est adoptée en « microtechnologie » part des propriétés macroscopiques de la matière pour descendre à des niveaux plus fins (fabrication des transistors par exemple). C’est ce que l’on a coutume d’appeler l’approche « top-down ». Les nanotechnologies adoptent la démarche inverse : on part directement des atomes ou des molécules, pour construire des nanosystèmes dotés de propriétés spécifiques. C’est l’approche « bottom-up ».

Cette approche implique la maîtrise des interactions au niveau atomique et l’on sait que les lois de la physique qui agissent a ce niveau ne relèvent plus de la physique classique mais de la physique quantique. Voyons comment on manipule ces atomes:

Les microscopes ( à effet tunnel et à force atomique) sont à la base des outils d’observation, mais ils peuvent être couplés avec des outils de manipulation. En contrôlant la distance entre la pointe du microscope et le substrat, un atome de l’échantillon peut rester « coincé » sur l’extrémité de cette pointe et la suivre dans son déplacement. On effectue généralement cette manipulation à très basse température pour limiter le mouvement des atomes. On peut par ce type de procédé obtenir des résultats spectaculaires comme celui de la figure suivante :

Kanji signifiant « atome » réalisé par Lutz et Eigler d’IBM-Almaden à partir d’un assemblage d’atomes de fer sur une surface de cuivre (par microscope à force atomique).

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Nanotubes de carbone

La chimie du carbone est une chimie à part entière (chimie organique) et il y a encore que 20 ans, on pensait connaître toutes les formes et structure carbonées. Pourtant en 1985 les chercheurs Harold Kroto, Richard Smalley et Robert Curl, découvrent de nouvelles molécules de carbone: les fullerènes (de symbole chimique C60) possédant des propriétés particulières (voir figure).

Molécule de fullerène (Kroto, Curl et Smalley, 1985)

Ensuite, en 1991, le chercheur japonais Sumio Iijima observe en microscopie électronique des feuillets de graphite disposés en réseau hexagonal, fermés sur eux-mêmes en forme de tube et terminé à chaque extrémité par deux demi-molécules de fullerène, c’est ce que l’on appelle depuis les nanotubes (voir figure).

Nanotube (Iijima,1991)

Ces nanotubes sont 100 fois plus résistants que l’acier pour une densité 6 fois moins importante. Ils sont fabriqués suivants diverses méthodes : décharge électrique dans un gaz rare à basse pression ou par vaporisation de carbone à l’aide de lasers.

On les utilise déjà en remplacement des fibres de carbone pour la fabrication de matériaux composites de hautes performances (club de golf ou raquette de tennis). En fonction de l’angle d’enroulement du feuillet de graphite, ils peuvent être conducteurs ou semi-conducteurs et peuvent servir à la fabrication de composants électroniques nanométriques.

Transistors organiques

En 1965, Gordon Moore, cofondateur de la firme Intel observe que le nombre de transistors sur une surface donnée d'un circuit intégré double au cours d’une période de temps constante. Cette constatation est connue aujourd’hui sous le nom de «loi de Moore». La durée de la période de doublement est d’à peu près 18 mois. Ainsi en 1972, le premier processeur d'Intel comportait 2 300 transistors. Procédons alors à un petit calcul :

Nous avons donc une croissance exponentielle au cours du temps du nombre de transistors. Suivant cette loi et les paramètres dont on dispose, on montre que le nombre de transistors T pour l’année A est donné par la formule :

T = 2300*2exp((A-1972)*2/3)

Pentium prévoit pour 2011 un microprocesseur contenant 109 transistors. Mais si on remplace A par 2011 dans la formule, on trouve que ce nombre devrait être 150*109, on s’écarte donc de la prédiction de Moore. En fait, il existe bien sûr une limite physique à la miniaturisation et ceci constitue un grand défi pour la microélectronique future.

Une approche pour faire face à ce problème serait le remplacement des transistors classiques par des molécules organiques fonctionnant comme des interrupteurs de courant électrique. Ces composés changent de configuration quand ils sont soumis à un champ magnétique ce qui les fait passer de l’état d’interrupteur fermé à ouvert. Ceci permettrait d’obtenir des transistors 1000 fois plus petits permettant la fabrication d’ordinateurs plus petits, encore plus rapides et peut être moins cher.

Nanobiotechnologies

La mise au point de nouveaux nanomatériaux ou d’instruments et d’appareils à l’échelle nanométrique s’ouvre aux biotechnologies. Parmi les applications possibles, on peut citer :

• les bio censeurs : on est déjà en mesure de réaliser des bio censeurs miniaturisés construits à partir d’interrupteurs à canal ionique d’une taille inférieure à 2 nm.
• l’encapsulation de médicaments: les médicaments passent dans le sang et généralement ils n’atteignent pas efficacement leur cible. Leur encapsulation dans des membranes nanoporeuses empêcherait leur dilution dans le sang jusqu’à ce qu’ils atteignent la cible spécifique; un système de reconnaissance cible-membrane permettant alors la libération du médicament.
• de même, dans les allogreffes de cellules pancréatiques le rejet est évité en encapsulant les cellules dans des puces au silicium formant une membrane avec des pores de 18 nm permettant le passage de l’insuline et les sucres mais pas des anticorps du patient. Des essais ont déjà été réalisés avec succès à l’aide de cellules pancréatiques de porc greffées sur des souris.
• les prothèses biocompatibles : les prothèses actuelles de la hanche ou du genou on une durée de vie de 10 à 15 ans. Le principal problème est l’usure de la prothèse par friction au point de contact. Des études sont menées pour enduire ces prothèses de couches de polymères de quelques dizaines de nanomètres possédant une meilleure biocompatibilité et réduisant considérablement les frottements. Ceci permettrait d’obtenir des prothèses d’une durée de vie de plus de 30 ans.

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Presse (extraits)

Qu'entend-on par nanotechnologies?

(Henri Van Damme, LEMONDE en ligne , 13.11.01)

(...)

Imaginez que l'on puisse fabriquer les matériaux, les objets et les dispositifs dont nous avons besoin avec autant de précision que la nature lorsqu'elle construit une cellule, un organe ou un organisme : en choisissant chaque molécule qui entrera dans la construction de l'édifice, en choisissant la manière de les assembler, en choisissant la manière de construire et d'emboîter des niveaux de plus en plus complexes d'organisation. La nature même de ce que nous fabriquons en serait changée. Non pas que nous donnerions vie à nos créations, mais leurs caractéristiques et les fonctions que l'on pourrait en attendre seraient infiniment plus riches que celles que nous connaissons. Construire un matériau aussi solide et résistant au choc que la nacre, un actionneur qui serait un véritable muscle artificiel, un filtre aussi efficace et peu énergivore que le rein, un tissu dont les caractéristiques changeraient en fonction de la température et de l'humidité, des capsules moléculaires capables de délivrer un médicament sur une cible précise, un anticorps artificiel capable de détecter des cellules malignes et de les éliminer, un calculateur dont le cœur serait constitué de quelques molécules ou même d'une seule d'entre elles,...

Nous sommes encore loin de la plupart de ces réalisations, mais la décennie qui vient de s'écouler a vu de tels progrès dans les deux éléments indispensables – la maîtrise du très petit et la maîtrise du complexe – que l'on peut raisonnablement espérer y arriver. On sait désormais, grâce aux microscopes à effet tunnel et à force atomique, non seulement "voir" les atomes, mais aussi les manipuler un par un, explorer tous les recoins d'une molécule ou encore la déformer pour étudier sa réaction, ou encore y accrocher un prolongement artificiel. On sait marier la chimie du carbone – celle des molécules et du monde vivant – avec la chimie du monde minéral. On connaît aussi de mieux en mieux la sociologie des molécules, les lois qui régissent la manière dont elles vont s'assembler entre elles pour former des entités plus grosses : des membranes, des capsules,... On a compris comment les propriétés d'un petit morceau de matière changent lorsque sa taille devient très petite, et on en a tiré profit pour fabriquer de nouvelles briques pour la construction des matériaux. Les nanotechnologies constituent les différentes facettes de cette démarche, qui change fondamentalement notre rapport à la matière.

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Nanotechnologies et perspectives industrielles

(Hervé Arribart, LEMONDE en ligne, 14.01.02)

(...)

Pour mettre en œuvre les nanotechnologies, il faut imaginer des procédés permettant d'organiser, de structurer la matière à l'échelle nanométrique - c'est-à-dire à des échelles comprises entre 1 et 100 nanomètres. C'est à cet aspect Matériaux des nanotechnologies que la conférence (...) sera consacrée.

Pourquoi des nano-matériaux? Comment les élaborer? Pourquoi les propriétés de la matière changent-elles quand elle est hétérogène à des échelles inférieures à 100 nm? Les effets sont souvent spectaculaires : les métaux peuvent devenir transparents et prendre des couleurs vives, les vitrocéramiques (qui sont des nano-composites verre-cristal) possèdent des propriétés mécaniques et thermiques bien supérieures à celles du verre homogène de même composition.

Les explications physiques de ces phénomènes sont connues ; elles font en général appel à des dimensions caractéristiques bien identifiées. Comment procéder pour obtenir ces matériaux nano-structurés ? Si de nombreuses voies sont explorées aujourd'hui dans les laboratoires de recherche, peu parmi elles seront compatibles avec les contraintes économiques pesant sur les coûts de production. On sera probablement conduit à privilégier les voies d'élaboration basées sur l'auto-organisation de la matière, prenant exemple sur les matériaux naturels qui sont bien souvent eux-mêmes nano-structurés.

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