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Nanotechnologies : une ère commence (01/01/2002)

Manipuler les atomes un par un pour fabriquer des produits ? C'est l'objet des nanotechnologies. À une échéance de dix ans ou plus, les promesses sont absolument phénoménales et dépassent parfois l'imagination. Mais qu'on ne s'y trompe

Prenez un engrenage d'un mètre de diamètre. C'est un gros engrenage. Divisez son diamètre par mille. Vous obtenez un petit engrenage. Divisez par mille encore. Vous voici devant un microengrenage. Du genre de ceux que gravent dans le silicium les adeptes des Mems (Micro-electromechanical Systems).

Le jeu vous plaît ? Voulez-vous diviser encore une fois par mille ? C'est à vos risques et péril. Car en entrant dans le domaine du nanomètre, vous aller pénétrer dans un nouvel univers. Finie la miniaturisation. Fini l'engrenage. Voici quelque chose d'entièrement inédit : un assemblage d'atomes. Une "nanostructure".

En franchissant la barrière des cent nanomètres nous sommes en effet passés dans le territoire atomique. La physique classique cède le pas. Les effets quantiques deviennent dominants. Les repères traditionnels s'effacent. Tout ce qui apparaît est inouï. Les nanostructures ont des propriétés bizarres. Souvent prévues par la théorie. Parfois insoupçonnées.

Ce changement qualitatif qui, à un moment donné, se produit avec le changement d'échelle est précisément ce que veulent exploiter les nanotechnologies en construisant des nanostructures. Et ce qu'étudient les nanosciences en se penchant sur les propriétés de ces structures.

Des inventions qui défient l'imagination

Pour cette seule raison, les nanotechnologies méritent le qualificatif, malheureusement fort galvaudé, de "révolutionnaires". Il n'est qu'à songer à une application déjà banale, la réalisation de composites aux caractéristiques étonnantes grâce à la simple adjonction de 2% de poudre nanométrique d'argile à un polyamide (voir prochain article).

Mais, il y a plus fort encore, et cette fois, impossible d'éviter une autre formule tout aussi galvaudée : les nanotechnologies constituent ni plus ni moins qu'une "révolution industrielle".

Révolution industrielle ? On peut par exemple penser à celle de la micro-électronique. Eh bien, à côté de la profonde rupture introduite par les "nanos", cela ne serait rien. "La micro-électronique a progressé de façon étonnante, mais toujours dans la seule et même direction ; les nanotechnologies, elles, recèlent un formidable potentiel dans un champ très vaste qui est aussi bien celui de la biologie, que de l'électronique ou des matériaux", juge Jean-Yves Marzin responsable du LPN (Laboratoire de photonique et de nanostructures), unité du CNRS. On pourra le constater à travers les pages suivantes qui présentent les applications envisageables à court et moyen termes et celles qui existent déjà.

Cela dit, pour donner une idée du formidable potentiel à long terme des nanos, on peut se tourner vers Eric Drexler, le grand gourou américain du secteur, visionnaire et auteur du livre de référence en la matière (voir encadré).

Lui, et quelques autres comme Ralph Merkle, envisagent des applications proprement ébouriffantes. Une machine domestique de fabrication basée sur les nanotechnos, un véhicule spatial pas plus grand qu'un break, construit avec ces technologies, et qui pourrait emmener quatre personnes en orbite, des appareils en diamants et d'autres inventions qui défient l'imagination. Même les auteurs de science-fiction n'y auraient pas songé...

Les États s'y intéressent

De tels "délires" sont à double tranchant. Ils indiquent clairement la portée de la "révolution". Ils risquent, à l'inverse de faire passer leurs auteurs pour de doux rêveurs et les nanos pour une nouvelle utopie. Utopie ? Prévoir à vingt, trente ans et plus est fort périlleux. Et puis, qu'aurait-on pensé de celui qui, en 1958 alors que Jack Saint Clair Kilby inventait le premier circuit intégré, aurait prédit qu'on caserait des dizaines de millions de transistors sur une puce de quelques centimètres carrés ?

À défaut de prévoir le futur lointain des nanos, on en connaît au moins l'origine. Elle est même très précisément datée. C'est le 29 décembre 1959 au cours d'un discours fondateur, que le fameux physicien et prix Nobel, Richard Feynman, a incité à regarder du côté de l'infiniment petit.

Il soulignait alors qu'il n'y avait rien dans les lois de la physique qui empêchait de travailler au niveau de l'atome, de les déplacer et de les assembler de la façon dont on le souhaitait. Il a été pris au mot. Et à mesure que les outils ad hoc ont vu le jour - le microscope à effet tunnel notamment -, les nanotechnologies ont entamé leur saga.

Depuis peu, les développements se sont accélérés considérablement. Les nanotechnologies arrivent actuellement en "prime time". Les conférences sur le sujet se multiplient. Des initiatives voient le jour. Des start-up se créent. Surtout et d'abord aux États-Unis qui ont une bonne longueur d'avance, puis au Japon, puis en Europe, qui commence à avoir conscience de l'enjeu. Les États s'y intéressent. Les financements se débloquent.

Quels outils de fabrication ?

Aux États-Unis, le gouvernement a ainsi lancé en juillet un financement de 519 millions de dollars pour l'année 2002 dans le cadre de la National Nanotechnology Initiative , un budget en augmentation de 23 % par rapport à celui 2001.

Au Japon, qui s'y intéresse de longue date, les incitations gouvernementales se multiplient. Le seul ministère des Sciences et des Technologies disposait en 2001 d'un budget de 30 milliards de yens (quelque 180 millions d'euros) sur le sujet.

L'Europe était un peu à la traîne. Entre 1994 et 1998, en dehors des investissements nationaux, la Commission européenne n'a investi que 90 millions d'euros. Mais la situation change. Pour l'exercice 2002-2006, elle envisage de favoriser l'intégration des politiques de recherche autour de huit domaines prioritaires dont deux sont liés à ces technologies (l'un concerne les technologies de l'information, l'autre est intitulé "nanotechnologies, matériaux intelligents et nouveaux procédés de production").

Bref, si vous n'aviez pas eu vent jusque-là des nanotechnologies soyez assurés d'une chose : vous n'avez pas fini d'en entendre parler !

Une révolution industrielle qui se respecte ne va pas sans une révision complète de l'outil de production. Pour le coup, on est gâté ! Méthodes et outils de production des nanos n'ont, on l'imagine, que très peu de rapport avec ceux utilisés pour réaliser des objets macroscopiques.

En matière de nanoproduction, la méthode la plus radicalement nouvelle - l'approche dite bottom-up - consiste tout simplement à bâtir une nanostructure en assemblant des atomes ou des molécules, à la manière des éléments d'un Lego. La méthode possède un atout important. Procéder de la sorte permet de placer les atomes exactement là où on le désire.

Pour les tenants de cette technique, appelée aux États-Unis nanotechnologie moléculaire ou encore molecular manufacturing, les promesses de la technique sont formidables. Selon Ralph Merkle, ex-chercheur de Xerox (excusez du peu) devenu chercheur associé à une start-up "nano" (Zyvex), on pourrait à terme ainsi réaliser de façon économique des produits où chaque atome serait à la bonne place, donc des produits à la fois plus légers, plus résistants, plus intelligents et moins chers.

Reste que, pour de telles réalisations, l'horizon est fort éloigné car les obstacles à surmonter sont au moins aussi grands que les promesses. On dispose bien des "machines-outils" capables de placer les atomes un par un. Ce sont les microscopes à force atomique (AFM) ou à effet tunnel (STM). Ils ont d'ailleurs un double intérêt : ils permettent à la fois de bâtir des nanostructures et... de les étudier.

Mais les limites sont évidentes. Le processus est très long et ces outils de labos ne permettent de bâtir qu'une structure à la fois. Impossible de songer à une industrialisation du processus. À moins... d'utiliser un microscope AFM multipointes. À la Northwestern University, un chercheur a déjà développé un tel AFM doté de huit pointes en parallèle. D'aucuns songent à en installer des centaines, voire des milliers. De quoi réaliser une véritable machine de production.

Nanorobots ou autoassemblage ?

D'autres tenants de l'approche bottom-up s'efforcent de mettre au point des "assembleurs", autrement dit des outils, des sortes de nanorobots, qui pourraient automatiser le procédé. Zyvex , par exemple, essaie de réaliser des tels assembleurs à partir de Mems, les fameux microsystèmes électromécaniques, et vise à passer ensuite au stade des Nems, autrement dit des assembleurs électromécaniques à l'échelle du nanomètre.

Assembler atome par atome, c'est bien. Mais il y a plus malin : laisser faire la nature, quitte à l'aider un peu. C'est-à-dire laisser les nanostructures se bâtir toutes seules, à l'instar de ce qui se passe en biologie ou en chimie. On parle alors d'auto-assemblage, une piste particulièrement intéressante pour la production de masse, mais contrairement à la méthode précédente, qui ne se prête par à la réalisation de n'importe quelle structure.

Auto-assemblage ? Il n'y a rien de miraculeux ici. Il "suffit", par exemple, comme on le fait au laboratoire LPN du CNRS, de réaliser une sorte de mille feuilles de couches d'atomes différents. Si les atomes sont bien choisis, les tensions qui se créent entre les mailles de ces couches produisent spontanément de superbes nanostructures appelées "boîtes quantiques" qui trouvent déjà de multiples applications. Comment réalise-t-on ce mille-feuilles ? En phase solide par épitaxie moléculaire, ou au moyen d'une machine de déposition chimique en phase vapeur (CVD).

De nombreuses autres voies de recherches existent pour réaliser de l'auto-assemblage. À l'université du Texas à Austin, par exemple, un chercheur recense des protéines qui sont capables de reconnaître et de s'accrocher à différentes molécules de matériaux organiques de façon à réaliser des nanostructures.

Changement de décor. Changement de procédé de fabrication. Après le bottom-up, voici le top-down. Autrement dit, les méthodes qui réalisent une structure nanométrique en travaillant à partir d'une structure macroscopique. Ici encore les voies sont multiples.

Premier exemple : la fabrication des nanotubes de carbone. Une des méthodes pour les obtenir consiste à vaporiser du carbone, à l'aide d'un arc électrique. On obtient alors une suie, dans laquelle, en cherchant bien, on découvre ces fameux nanotubes.

Seconde approche, totalement différente, le bombardement d'une surface à l'aide d'un faisceau d'ions. Il s'agit ici, en utilisant l'énergie des ions, de créer des défauts en surface d'un matériau. Pas n'importe quels défauts. En maîtrisant bien les paramètres de la machine, on peut ainsi nanostructurer la surface d'un matériau de la façon voulue. Ce procédé s'applique par exemple à la production de têtes magnétiques. Avantage par rapport à la méthode traditionnelle où l'on procède par enlèvement de matière pour finaliser la fabrication de ces têtes, la précision extrême des nanostructures, comparée à l'usinage.

Agréger les atomes les uns aux autres

Le LPN (encore lui ! mais c'est normal il travaille avec la plupart de ces outils) réalise, dans le cadre d'un projet européen une telle machine utilisant des ions de gallium. Il vise un prototype commercial d'ici à deux ans avec une résolution de cinq nanomètres, alors que celle des machines comparables se situe aujourd'hui autour de la trentaine de nanomètres.

Les chercheurs ne chôment pas. Il existe bien d'autres façons de créer des nanostructures - utilisation du lit fluidisé, de faisceaux d'électrons... - et il s'en invente constamment de nouvelles. Elles possèdent en général un point commun. On crée des structures, voire des objets, sans enlèvement de matière. Voilà peut-être ce qui, de façon ultime, justifie le terme de "révolution industrielle". Une nouvelle ère démarre. Celle où, pour fabriquer des objets, on ne se contentera plus d'arracher brutalement par paquets des milliards d'atomes à la matière comme le fait l'usinage mais où l'on agrégera les atomes les uns aux autres en finesse pour obtenir l'objet désiré. Ce n'est pas un mince changement ! Franck Barnu

Repères
- Livre de référence Nanosystems : Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation par Eric Drexler (556 pages, John Wiley & Sons, 1992).
- Site du Foresight Institute (dont le même Eric Drexler est responsable): www.foresight.org.
- Ouvrage en français : Nanocomposants et nanomachines (162 p.) édité en 2001 par l'Observatoire français des techniques avancées (OFTA).
- Numéro spécial de Pour la Science (décembre 2001) entièrement consacré aux nanosciences.

Le père des nanotechnologies : Richard Feynman
Physicien hors normes et prix Nobel de physique, il a jeté les bases des nanotechnologies le 29 décembre 1959 lors d'une conférence donnée à Caltech. Dans cette présentation intitulée "There's plenty of room at the bottom" il indiquait que les lois de la physique n'interdisaient aucunement que l'on manipulât les atomes un par un pour les placer où on le souhaitait. L'idée de nanotechnologie était lancée. Lire ce discours

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