Les nanosciences et nanotechnologies (d’après le grec , « nain »), ou NST, peuvent être définies comme l’ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures (physiques, chimiques ou biologiques), de dispositifs et de systèmes matériels à l’échelle du nanomètre (nm), qui est l'unité la plus proche de la distance entre deux atomesQui est de l'ordre de 0.1 nm ( )..
Les NST présentent plusieurs acceptions liées à la nature transversale de cette jeune discipline. En effet, elles utilisent des disciplines telles que l’optique, la biologie, la mécanique et la microtechnologie en leur permettant de nouvelles possibilités. Ainsi, comme le reconnaît le portail français officiel des NST, « les scientifiques ne sont pas unanimes quant à la définition de nanoscience et de nanotechnologie »..
Les nanomatériaux ont été reconnus comme toxiques pour les tissus humains et les cellules en culture. La nanotoxicologie étudie les risques environnementaux et sanitaires liés aux nanotechnologies. La dissémination à large échelle de nanoparticules dans l’environnement est sujette à des questions éthiques.
Les nanotechnologies bénéficient de plusieurs milliards de dollars en recherche et développement.. L’Union européenne a accordé 1,3 milliard d’euros pendant la période 2002-2006With a budget of EUR 1 429 million for 2002-2006, ... et . et 3,5 milliards d'euros pendant la période 2007-2013.. Au début des années 2000, certains organismes prédisaient que le marché mondial annuel pourrait être de l’ordre de de dollars américains dès 2015 (estimation de la National Science Foundation en 2001), et jusqu'à de dollars (estimation Lux Research Inc. de 2008)..
vignette|Représentation d’un nanotube de carbone (cliquer pour voir l’animation). thumb
Historique Vision de Feynman Dans son discours donné le . à la Société américaine de physique, Richard Feynman évoque un domaine de recherche encore inexploré : l’infiniment petit. Il envisage un aspect de la physique « dans lequel peu de choses ont été faites, et dans lequel beaucoup reste à faire ».
Se fondant sur la taille minuscule des atomes, il considère comme possible d’écrire de grandes quantités d’informations sur de très petites surfaces : « Pourquoi ne pourrions-nous pas écrire l’intégralité de l’Encyclopædia Britannica sur une tête d’épingle ? » Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?, sur le site zyvex.com.. Une affirmation qui n’avait pas été spécifiquement relevée, et qui est aujourd’hui abondamment citée (de fait, ce qui à l’époque était infaisable, semble aujourd’hui parfaitement réalisable, grâce aux progrès en microtechnologies). Feynman veut aller au-delà des machines macroscopiques avec lesquelles nous vivons : il imagine un monde où les atomes seraient manipulés un par un et agencés en structures cohérentes de très petite taille.
Microscope à effet tunnel Le développement des nanosciences et nanotechnologies s’appuie sur l’invention de deux instruments permettant d’observer et d’interagir avec la matière à une échelle atomique ou subatomique. Le premier est le microscope à effet tunnel qui a été inventé en 1981 par deux chercheurs d’IBM (Gerd Binnig et Heinrich Rohrer), et qui permet de parcourir des surfaces conductrices ou semi-conductrices en utilisant un phénomène quantique, l’effet tunnel, pour déterminer la morphologie et la densité d’états électroniques des surfaces qu’il explore. Le second est le microscope à force atomique qui est un dérivé du microscope à effet tunnel, et qui mesure les forces d’interactions entre la pointe du microscope et la surface explorée. Cet outil permet donc, contrairement au microscope à effet tunnel, de visualiser les matériaux non conducteurs. Ces instruments combinés avec la photolithographie permettent d’observer, de manipuler et de créer des nanostructures.
Fullerènes et nanotubes En 1985, trois chercheurs, Richard Smalley, Robert F. Curl (de l’université Rice de Houston) et Harold W. Kroto (université du Sussex) découvrent une nouvelle forme allotropique du carbone, la molécule C constituée de 60 atomes de carbone répartis sur les sommets d’un polyèdre régulier formé de facettes hexagonales et pentagonales. Chaque atome de carbone a une liaison avec trois autres. Cette forme est connue sous le nom de buckminsterfullerène ou buckyball et elle doit son nom à l’architecte et inventeur américain Richard Buckminster Fuller qui a créé plusieurs dômes géodésiques dont la forme est analogue au C..
Plus généralement, les fullerènes dont fait partie le C, sont une nouvelle famille de composés du carbone. Non équilatéraux, ils ont une surface composée d’hexagones et de pentagones, à l’instar des facettes d’un ballon de football. Cette disposition leur confère des structures toujours fermées en forme de cages de carbone. Il faut néanmoins attendre 1990 pour que Huffman et Kramer, de l’université de Heidelberg, mettent au point un procédé de synthèse permettant l’obtention de ces molécules en quantités macroscopiques. Les nanotubes ont été identifiés six années plus tard dans un sous-produit de synthèse des fullerènes..
Prophéties de Drexler En 1986, Eric Drexler publie un ouvrage sur l’avenir des nanotechnologies, Engines of Creation, dans lequel il délivre sa vision des progrès faramineux possibles avec l’essor des nanotechnologies. Ainsi, grâce à la manipulation moléculaire, les lois physiques qui paraissent insurmontables aujourd’hui pourraient être dépassées, les produits créés pourraient être moins coûteux, plus solides et plus efficaces. Mais Drexler a également prévu les inconvénients de cette voie: en effet, de telles technologies capables de se reproduire ou du moins de se répliquer par elles-mêmes pourraient conduire à un cataclysme. Des bactéries créées dans un quelconque intérêt commun, par exemple, pourraient se répliquer à l’infini et causer des ravages sur la flore, mais aussi sur la faune et l’humanité.
Drexler écrit que si l’essor des nanotechnologies, apparemment inéluctable dans le processus d’évolution, devait nous apporter énormément dans des domaines très vastes, il est également fort probable que ces technologies deviennent destructrices si nous ne les maîtrisons pas entièrement.
À ce sujet, une des questions qui peuvent être posées est la forte capacité pénétrante qu’ont les nanoparticules à l’égard des tissus cellulaires. Effectivement, du fait de leur taille inférieure aux cellules, dès lors que ces dernières sont à l’état de particules, elles peuvent outrepasser certaines barrières naturelles. Cette propriété est d’ailleurs déjà exploitée dans l’industrie cosmétique.
Nanophysique À l’échelle nanométrique, la matière présente des propriétés particulières, justifiant une approche spécifique. Il s’agit notamment des propriétés quantiques, mais aussi d’effets de surface, de volume, ou encore d’effets de bord. L’enjeu des nanosciences est de comprendre les phénomènes nanométriques, au profit des nanotechnologies (conception et utilisation de systèmes nanométriques). De nombreux laboratoires dans le monde y travaillentPour la Science : Nanosciences, , Belin, Paris, décembre 2001..
Aspects quantiques Ainsi, conformément aux lois de la mécanique quantique, une particule adopte au niveau nanométrique un comportement ondulatoire aux dépens du comportement corpusculaire adopté au niveau macroscopique. Cette dualité onde-corpuscule est particulièrement visible dans l’expérience des fentes de Young. Un faisceau de particules (lumière, électrons, etc.) interfère avec une série de fentes peu espacées et crée une figure d’interférences, caractéristique d’un phénomène ondulatoire. Cette dualité onde-particule de la matière, qui reste une des grandes interrogations de la physique, va provoquer divers phénomènes au niveau nanométrique, par exemple : quantification de l'électricité : dans les nanofils (ou nanowire) on a remarqué que le courant électrique n’est plus constitué d’un flux continu d’électrons mais qu’il est quantifié, c’est-à-dire que les électrons circulent par « paquets » dans le circuit ; quantification de la chaleur : de même dans un circuit de taille nanométrique, on a observé que la chaleur se propage de manière quantifiée.
Ces phénomènes ont été constatés pour la première fois de visu en 2001, avec le « chapelet conducteur d’électricité » ESPACENET - US PATENT, (electrically conductive string) par son inventeur, le thermodynamicien Hubert Juillet, ce qui a permis de confirmer cet aspect des théories de la mécanique quantique. Ce comportement quantique oblige à revoir notre façon de penser : pour décrire une particule, on ne parle plus en termes de position en un temps donné, mais plutôt en termes de probabilité que la particule soit détectée à un endroit plutôt qu’à un autre.
Aspects physicochimiques Les nanoparticules et matériaux offrent de très fortes proportions d'atomes de surface par rapport aux atomes intérieurs qui leur donnent une forte réactivité de surface. Ils sont en outre sujets à des changements considérables de propriétés selon leur taille et forme (en lien avec leur réactivité, mais aussi avec des effets de confinement quantique). Leur croissance, agrégation, dissolution ou évaporation sont spécifiques, et jouent un rôle clé dans leur durée ou cycle de vie, leurs comportements avec d'autres nano-objets, des molécules du vivant, des organes ou organismes vivant dans les environnements de laboratoire ou dans la nature, avec des conséquences globales qu'on commence seulement à évaluer..
Émergence des nanotechnologies Derrière l’effet d’annonce, plusieurs études ont été menées pour appréhender l’évolution des nanotechnologies et des nanosciences. Ainsi, en considérant le fait que les définitions ne sont pas stabilisées, la composante commune des différentes méthodes utilisées est de mesurer l’activité nanotechnologique sous trois angles : publications scientifiques (plutôt pour les connaissances fondamentales), brevets (plutôt pour les aspects technologiques), et éventuellement institutions et entreprises concernées ou encore capitaux investis (pour mesurer l’activité économique et industrielle réelle). Qu’il s’agisse des brevets ou des publications scientifiques, les valeurs présentées dans les tableaux suivant étaient négligeables avant les années 1990.
Évolution technologique de 1995 à 2003 dans le monde Au regard de l’article paru dans la revue Nature Nanotechnology . en 2006, on note l’évolution suivante pour les brevets déposés à l’Office européen des brevets (EPO) : Année 1995 2000 2003 Nombre de brevets pour l’année 950
Si ces chiffres représentent une forte évolution, on note également une relative stabilité pour ces deux périodes. Néanmoins cette évolution ne prend pas en compte les croissances plus rapides (1997-1999) et les diminutions (2000-2001).
Vers 2005, de nombreux centres de recherches se sont lancés dans l’étude des nanofils (nanowire) pour essayer de produire pour l’industrie, par divers procédés dont majoritairement la croissance, un nanofil suffisamment long et solide et qui présenterait, notamment, les mêmes effets quantiques que le chapelet conducteur d’électricité.
Évolution des connaissances fondamentales entre 1989 et 2000 dans le monde Nous prendrons pour caractériser l’évolution des publications scientifiques, un article . utilisant une méthode plus englobante que celle utilisée dans Nature Nanotechnology et qui permet de caractériser l’évolution des publications nanotechnologiques : Périodes 1989-1990 1991-1992 1993-1994 1995-1996 1997-1998 1999-2000 Publications cumulées Nouvelles publications
Périodes de créations des entreprises concernées par les NST En suivant un rapport . émis par la commission européenne à propos de l’estimation du développement économique des NST, nous pouvons regarder les dates de création d’entreprises concernées par cette activité.