Berges2009_Boudenot.pdf

01/12/2009
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Publication Prix Bergès, REE
OAI : oai:www.see.asso.fr:1161:2845
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1 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < Introduction Curieusement on trouve les premières traces des nano- technologies dès l’antiquité. Ainsi, la coupe de Lycurgus (conservée au British Museum), datant du IVe siècle et qui nous vient de l’Empire romain, présente la propriété remarquable d’être rouge si on l’éclaire de l’intérieur et d’être verte si on l’éclaire de l’extérieur. Cette étrange pro- priété est due à la présence (bien involontaire !) de parti- cules de taille nanométrique (~ 40 nm) qui donne une couleur rouge à la lumière transmise et verte à la lumière réfléchie. Il a été également trouvé des nanoparticules d’argent et d’or dans des objets d’art étrusques et dans des poteries arabes du IXe siècle, ainsi que dans les vases colorés de Murano du XVIe siècle. Le comportement étrange de la coupe de Lycurgus est lié à des effets dits I Jean-Claude BOUDENOT, Thales Research & Technology, Membre Émérite 2001 de la SEE Après deux révolutions technologique et industrielle, l’une née à la fin du XVIIIe siècle de la maîtrise de la puissance offerte par la vapeur et l’autre apparue au milieu du XXe siècle suite au dévelop- pement de la microélectronique, nous sommes probablement, en ce début de XXIe siècle, au seuil d’une troisième révolution tech- nologique et industrielle consécutive de l’explosion des nanoscien- ces et des nanotechnologies. La maîtrise de la matière à l’échelle du milliardième de mètre peut transformer et redéfinir un grand nombre de marchés et en ouvrir de nouveaux. Une ère nouvelle s’ouvre qui s’annonce comme celle de la « nanoconvergence ». L’enjeu de la nanoélectronique est essentiel, mais il n’est pas le seul. Le champ couvert par les nanotechnologies est immense et les potentiels offerts ne sont pas moins grands, car il n’y a aucun doute, l’imagination dans le domaine des applications est à la hau- teur de celle déployée par les concepteurs de ces nouvelles tech- nologies. L’objectif de cet article est de présenter quelques aspects des nanotechnologies en mettant en évidence le socle scientifique et technique commun aux différents domaines et de montrer sur quelques exemples, leurs perspectives dans le monde industriel. After two technological and industrial revolutions, one born at the end of the 18th century, as the result of the control of the power offered by the vapour ; and the other, appeared in the middle of the 20th century, following the development of micro-electronics, we are probably, at this beginning of 21st century, at the dawn of a third technological and industrial revolution consecutive to the explosion of nanosciences and nanotechnologies. The control of the matter at the scale of a billionth of meter (nanometer) can transform and redefine a great number of markets and open new ones. One new era opens which is announced like that of the “nanoconvergence”.The stake of nanoelectronic is essential, but it is not alone ; the potential offered by nanotechnologies is also immense. The objective of this paper is to present some aspects of the nanotechnologies by highlighting the scientific and technical common base of the various fields and to show, on some exam- ples, their prospects in the industrial world. L ’ E S S E N T I E L S Y N O P S I S XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance1 Mots clés Nanoconvergence, Nanotechnologie, Microtechnologie, Câbles de puissance Le XXIe siècle est annoncé comme étant celui de la nanoconvergence. A l’échelle nanométrique les différences entre physique, chimie et biologie s’estompent. Ce qui est sûr, c’est que les idées sont nombreuses et les résultats en laboratoire mar- quants. Mais qu’en est-il des applications concrètes. C’est à cette question que tente de répondre le présent article. 1 Cet article est issu d’une conférence invitée, de même titre, faite dans le cadre de la Conférence Jicable 2007. (24 au 28 juin 2007). Nous suivons le même plan de façon à faciliter le lien avec les planches présentées lors de cette conférence, qui sont affichées sur le CD-Rom Jicable 2007 disponi- ble auprès de la SEE. 2 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < « mésoscopiques »2 . Un exemple illustre bien ce type d’effet : si l’on considère de l’or, sa température de fusion, qui est classiquement de 1064° C, chute à 900° C pour une nanoparticule de 5 nm de rayon et à 500° C si le rayon n’est que de 2 nm. D’un point de vue économique, on assiste à une très forte croissance des nanotechnologies. Elles sont suscep- tibles de transformer et de redéfinir bon nombre de tech- nologies connues et de marchés. C’est pourquoi il est pro- bable que le XXIe siècle sera celui de la « nanoconver- gence ». Le champ couvert par les nanotechnologies est immense et les potentiels offerts ne sont pas moins grands3 . Neal Lane, Ancien Conseiller pour les sciences et les technologies de Bill Clinton indiquait : « si l’on me demandait quel domaine des sciences et techniques pro- duira vraisemblablement les plus grandes ruptures je répondrais les sciences et les techniques à l’échelle nano- métrique ». C’est ainsi qu’un grand programme de recherches le National Nanotechnology Initiative (NNI) a été lancé, à grand renfort de publicité, par les américains en janvier 2000. Informatique et stockage de données L’introduction des nanotechnologies dans le domaine des technologies de l’information et de la communication possède de nombreux enjeux. La réalisation de processeurs ayant une très faible consommation et un très faible coût (grâce à la poursuite de la loi de Moore) ; le développement de nanocapteurs de très faible dimension, poids et consom- mation ayant des capacités de calcul et de communication ; le développement de mémoires de très grande capacité ; l’émergence possible du calcul quantique, etc. Nous déve- lopperons rapidement les deux derniers axes cités. Augmentation du stockage d’information L’actualité récente, liée à l’attribution du prix Nobel de physique 2007 à Albert Fert (de l’UMR CNRS/Thales) et à Peter Grünberg (de l’université allemande de Jülich), pour leur découverte, en 1988, de la magnétorésistance géante (GMR)4 , montre bien toute l’importance de l’aug- mentation du stockage d’information. Grâce à cette tech- nique, utilisant les propriétés de la matière à l’échelle nanométrique, la capacité des disques durs a augmenté d’un facteur 100 en dix ans ! Plus de 600 millions de dis- ques durs sont produits par an grâce à cette technique. Hitachi a démontré, fin 2006, une densité de stockage pour un disque dur de 35 Gbit/cm2 (« perpendicular recor- ding »)5 . Le fabricant coréen « Pocketec » a annoncé en février 2007 la sortie d’un disque dur d’un pouce capable de stocker jusqu’à 12 Go6 et fonctionnant sur port USB auto-alimenté. La prochaine génération de disques durs utilisera probablement la magnétorésistance tunnel (TMR) qui améliorera encore ces performances. Une capacité de stockage de 1 Tbit /in2 (soit ~ 160 Gbit/cm2 ) est visée dans un avenir relativement proche7 . De leur côté les mémoires DRAM (Dynamic Random Access Memory) sont également de plus en plus performantes. Des DRAM de 2 Gbit (soit 256 Mo), en technologie 60 nm, fonctionnant à 800 MHz, sont en démarrage de production (Samsung)8 . Arrêtons-nous un instant sur une nouvelle forme de mémoire mise au point récemment par IBM, le « Millipede » (mille-pattes). Ce concept combine les avantages du disque dur (grande capacité de stockage, 30 Gbit/cm2 annoncé) et des DRAM (grande rapidité d’accès). Le principe repose sur la présence ou l’absence de trous nanométriques gravés sur la surface d’un poly- mère thermo actif et lu par des cantilevers9 en parallèle. C’est en quelque sorte le retour à la bande perforée, mais à l’échelle nanométrique (voir figure 1). Les calculateurs quantiques Le monde de la mécanique quantique est étrange. Le « chat de Schrödinger » souligne bien sa différence avec le monde macroscopique habituel. Le physicien autrichien a écrit à Einstein, en 1935, une lettre commençant par : 2 La physique mésoscopique est intermédiaire entre la physique quantique (dont les effets ne se font généralement sentir qu’au niveau atomique ou moléculaire) et la physique classique, bien adaptée à la description du monde macroscopique. Ces effets mésoscopiques sont typiques d’objets de dimension nanométrique. 3 À l’horizon 2015 le marché engendré par les nanotechnologies est estimé à plus de 1000 milliards de dollars et sera porteur de deux millions d’em- plois. Les matériaux représenteraient 32 % de ce marché, l’électronique 29 %, la chimie et la pharmacie 27 %, le domaine aérospatial 7 %, les der- niers cinq pour cent étant partagés par la santé et l’instrumentation. 4 La magnétorésistance géante est l’interaction “géante” qui existe entre des couches d’aimants très minces (de tailles nanométriques) et des électrons. Cette découverte a fondé un nouveau domaine scientifique et technique : la “spintronique”. En spintronique, le contrôle du mouvement des électrons s’effectue non pas par leur charge électrique comme en électronique « classique », mais par leur spin. 5 Donnons une image du stockage d’informations que cela représente. Un disque dur de 400 Go (~ 10 cm de diamètre) peut ainsi contenir une infor- mation équivalente à environ 800 000 livres (au format livre de poche), ou à 1 million de photographies (de définition moyenne) ou à 8000 CD audio (compression MP3) ou à 300 heures de vidéo. 6 Ce qui représente environ 20 Gbit/cm2 . Par comparaison notons que la capacité des DVD Blue-Ray est de 25 Go (contre 4,7 Go pour un DVD classique). 7 Selon la road map d’IBM cette capacité pourrait être atteinte en 2010 et encore multipliée par dix en 2015. 8 La marque coréenne projette de faire des barrettes de mémoire de 4 Go, et bientôt 8 Go, qui consommeront 30 % d’énergie en moins que des barret- tes équivalentes composées de puces de 1 Gbit de mémoire. 9 Les cantilevers sont des micro leviers dont la pointe est de dimension atomique. Ces cantilevers sont utilisés en particulier en microscopie AFM (Atomic Force Microscope) en microscopie en champ proche (SNOM : Scanning Near-field Optical Microscope). 3 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité « Prenez un chat, du cyanure, une particule radioactive, mettez le tout dans une boîte et attendez une heure ! ». La particule ayant une chance sur deux d’être émise, elle a une chance sur deux de libérer (par un mécanisme infernal) du cyanure et le pauvre chat enfermé dans la boîte a une chance sur deux d’être tué. Que nous dit la mécanique quantique ? Eh bien que le chat doit être décrit physiquement par la superposition de deux états, l’un ⏐chat vivant > et l’autre ⏐chat mort > [si on appelle ⏐ψ > l’état du chat, alors : ⏐ψ > = 1/√2 ⏐chat vivant > + 1/√2 ⏐chat mort > ]. Absurde s’écrient les physiciens, un chat ne saurait être à la fois vivant et à la fois mort !Absurde en effet à l’échelle macros- copique… mais vrai à l’échelle nanométrique ! Serge Haroche, professeur au Collège de France, a réalisé à partir de 1996, sur des atomes, de telles superpositions d’état. Alors pourquoi ne pas envisager un ordinateur quantique qui au lieu de manipuler de simples bits (⏐0 > ou ⏐1 >) ma- nipulerait des qubit [quantum bit : ⏐ψ > = α⏐0 > + β ⏐1 > ]. Cette idée remonte à Richard Feynman qui a montré, dès 1982, qu’un système quantique peut servir de calcu- lateur. Mais ce n’est que depuis la publication, en 1994, par Shor, d’un algorithme montrant que la factorisation (décomposition d’un nombre en ses facteurs premiers) d’un nombre pouvait être résolu beaucoup plus rapide- ment avec un calculateur quantique qu’avec un ordinateur conventionnel, que le sujet a fait l’objet d’une attention particulière. L’algorithme de Shor permet en effet une amélioration exponentielle de la vitesse d’exécution de la factorisation10 . Donnons un exemple : cet algorithme, per- mettrait, en utilisant le calcul quantique, de factoriser un nombre de 400 digits en trois ans alors que cela prendrait dix milliards d’année (à peu près l’âge de l’Univers) avec un calcul classique ! Mais les choses ne sont pas si sim- ples : les qubits ne sont ni faciles à produire, ni faciles à maintenir. Il existe plusieurs possibilités de réaliser des qubits, c’est-à-dire la superposition de deux états quanti- ques. Les plus « classiques » utilisent : la polarisation de paires de photons ; des ions piégés dans des cavités (recherches faites en particulier au NIST) ; l’effet Josephson (recherches faites en particulier au CEA) ; des spins nucléaires dans des molécules en solution (recher- ches faites en particulier au centre de recherche d’IBM en Californie), etc. En 2001, un premier « calculateur quan- tique » à sept qubits a réussi à exécuter l’algorithme de Shor : la factorisation du nombre 1511 . C’est un résultat bien modeste au regard de nombres à 400 digits, mais il est encourageant. Le « calculateur quantique » le plus performant à ce jour (2007) a été développé par la société canadienne D. Wave, il met en œuvre 16 qubits de type « quantronium »12 . Une des difficultés majeures à résoudre est d’empê- cher la décohérence, c’est-à-dire le retour vers un état classique du système et donc une perte d’informations. Pour remédier à la décohérence13 , il faut développer des codes de corrections d’erreurs quantiques. En 1996, Shor en a proposé un premier type. Les ordinateurs quantiques ne sont pas près de rem- placer les ordinateurs classiques. Mais malgré leur com- plexité et la difficulté de leur mise en œuvre on peut ima- giner que dans un avenir pas trop lointain des systèmes hybrides (classique + quantique) seront développés, car le calcul quantique permet la résolution de problèmes (spé- cifiques), dont la solution est tout simplement impossible avec l’utilisation d’un calculateur classique14 . La figure 2 illustre le fait que le calcul quantique n’est plus seulement du domaine de la théorie. Nous terminerons ce paragraphe en évoquant le déve- > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < 10 Cela tient au fait qu’un ordinateur quantique équipé de processeurs de N qubits permet de gérer 2N informations différentes simultanément alors que le traitement de N bits par un ordinateur conventionnel ne donne accès qu’à un bit choisi parmi 2N ; il calcule donc beaucoup plus vite (en parallèle) qu’un ordinateur classique. 11 La technique qui a été utilisée est celle des spins nucléaires (méthode RMN, Résonance Magnétique Nucléaire). 12 Le « quantronium » a été développé par une équipe du CEA. Il est composé d’une puce en silicium dotée de trois fils supraconducteurs et de trois jonctions Josephson. Deux jonctions servent de Qubit, la troisième d’instrument de mesure lorsqu’un courant la traverse. Les états classiques de 0 et 1 y sont superposés. Le tout fonctionne à … 25 mK. 13 La superposition d’état que l’on observe à l’état microscopique (par exemple sur des qubit), disparaît à l’échelle macroscopique (le chat de Schrödinger ne peut pas se trouver dans un état superposé « mort » et « vivant »). Cela est dû à l’interaction du système microscopique avec son environnement consti- tué d’un grand nombre d’objets microscopiques. Cela produit des « interférences destructives », ce phénomène est appelé décohérence. 14 Pour plus de détails sur les calculateurs quantiques on pourra se reporter sur les articles « Comment calculer quantique » et « Les constructeurs de Qubits », parus dans « Les dossiers de la Recherche » de novembre 2007 consacré au thème « Le monde quantique ». Figure 1. IBM millipede. 4 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < loppement d’une technique beaucoup plus accessible, la cryptographie quantique, qui repose, elle aussi, sur des propriétés de superposition d’états quantiques. La crypto- graphie quantique permet la distribution de clefs de cryp- tage de façon absolument sûre. L’une des méthodes mise en jeu consiste à utiliser des photons uniques polarisés. Si un photon est intercepté, sa polarisation est modifiée et le destinataire est informé de la tentative d’espionnage ! La transmission est alors répétée. Ainsi le destinataire de la clef ne retiendra que les éléments non interceptés, la sécu- rité de la communication est absolue. Les premières démonstrations de cryptographie quan- tique ont été faites en 1998 par une équipe de l’Université de Genève sur une distance d’environ dix kilomètres. Des transmissions de clefs quantiques sont maintenant réali- sées sur plusieurs dizaines de kilomètres à l’aide de fibres optiques et une expérience très récente (2007) a permis de transmettre des clefs quantiques sur près de 150 km (entre deux îles des Canaries) par voie atmosphérique. Matériaux et Manufacturing Des propriétés spécifiques des matériaux peuvent être obtenues par nanostructuration. On parle de nanostructu- ration lorsque des propriétés particulières sont obtenues en utilisant des structures de taille inférieure à 100 nm. Ces structures peuvent correspondre à un paramètre micro structural (comme la taille de grains), à un paramè- tre morphologique (comme l’épaisseur d’un revêtement ou la dimension des constituants d’une poudre), à l’empi- lement de couches nanométriques, à l’utilisation de motifs de surface de taille nanométrique, etc. Pour expli- quer ces propriétés spécifiques prenons deux exemples, celui des nanopoudres et celui des nanocomposites. Dans les deux cas, le rapport surface sur volume des nanoobjets considérés joue un rôle important. Prenons par exemple une particule sphérique : si son diamètre est de 30 nm elle possède 5 % de ses atomes en surfaces, lorsque son dia- mètre est de 10 nm ce sont 20 % des atomes qui se trou- vent en surface et 50 % pour un diamètre de 3 nm. Or la réactivité chimique et certaines propriétés physiques dépendent des atomes de surface. Ainsi un gramme de particules de TiO2 (dont nous verrons l’un des usages plus bas) d’un diamètre de 10 nm présente une surface de 300 m2 , une masse identique de particules de 100 nm cor- respond à une surface dix fois moindre. Les nanocompo- sites comportent, par définition, plusieurs phases dont l’une au moins a des dimensions nanométriques. Ainsi les nanotubes de carbone, qui combinent rigidité et flexibi- lité, permettent de réaliser des objets à la fois souples et résistants. Grâce aux nanotechnologies, on peut réaliser des matériaux ultra durs par affinement de la taille des grains de même que l’on peut améliorer la ténacité des cérami- ques ou les rendre plus facilement déformables à haute température ou obtenir des comportements superplasti- ques (favorisés par des faibles tailles de grains). On peut également réaliser des surfaces à comportement spécifi- que. On trouve dans cette catégorie des possibilités d’amélioration à la tenue en corrosion et à l’oxydation ; ainsi que l’accroissement des effets catalytiques (à nou- veau parce que les nanomatériaux présentent une très grande surface pour une très faible masse). Quelques illustrations ont été données lors de la conférence citée dans la note 1. Revenons-y un instant. Il est possible de réaliser des surfaces autonettoyantes obte- nues par des revêtements très hydrophobes15 . Dans le même genre d’idée, des textiles imperméables à l’eau et résistants aux taches sont déjà proposés (e.g. certaines chemises de Hugo Boss)16 . On peut aussi réaliser des revêtements transparents permettant aux vitres d’être autonettoyantes. Ces revêtements sont à base de nanopar- ticules d’oxyde de titane, ce qui favorise le ruissellement de l’eau sur ces surfaces sans former de gouttelettes tout en emportant les saletés (Pilkington propose déjà de tel- les vitres, voir figure 3). Une illustration plus futuriste (et reconnaissons-le, pro- Figure 2. « Prototype » de calculateur quantique (Glaser, Munich) utilisant la RMN : vue du spectromètre RMN. 15 Des revêtements très hydrophiles permettent quant à eux d’éviter la condensation des fines gouttelettes (antibrouillard). 16 Des propriétés telles que textiles anti-odeur, antibactériens, etc. sont également envisageables. 5 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité bablement irréaliste avant plusieurs décennies) a été don- née, car elle connaît un certain succès médiatique. Il s’agit de « l’ascenseur spatial ». Un américain, Edwards Bradley, a imaginé qu’un tel ascenseur permettrait de mettre en orbite des satellites sans utiliser de fusée. Cet ascenseur consisterait en un câble central le long duquel glisserait une plate-forme montée sur des chenilles. La poussée permet- tant de mouvoir le satellite serait fournie par un laser qui, du sol, frapperait les panneaux solaires installés sous sa plate-forme. Un « prototype » d’une hauteur de quelques dizaines de mètres a été réalisé, mais la route est longue avant d’obtenir des câbles de un mètre de diamètre et de plusieurs dizaines de milliers de km de longueur ! Ces câbles, dont les parois fines sont renforcées par des nano- tubes de carbone, trouveront néanmoins peut-être des applications sur des distances moins ambitieuses. L’obtention de céramiques par frittage de nanopoudres est également à l’origine de nombreuses applications aussi diverses que variées, citons par exemple la réalisation de miroirs de faible masse pour utilisation spatiale17 ; le déve- loppement de laser néodymeYAG utilisant une céramique composée de nanoparticules dont la taille est bien infé- rieure à la longueur d’onde, ce qui empêche la lumière de diffuser dans le matériau et améliore d’autant le rende- ment ; l’utilisation de composite contenant des nanoparti- cules de céramique pour la réalisation de chambre de combustion de réacteur d’avion18 (augmentation de la résistance à la température et donc amélioration du rende- ment d’où réduction de la consommation). Il est impossible de donner un panorama exhaustif de l’utilisation des « nanomatériaux », mais quelques exem- ples, présentés ci-dessous, montrent que petit à petit ils sont présents dans des objets quotidiens. Les nanoparticu- les sont de plus en plus utilisées en cosmétique19 , car elles facilitent la diffusion d’ingrédients actifs. L’exemple le plus courant est l’incorporation de nanoparticules d’oxyde de zinc (qui sont transparentes à la lumière visi- ble et filtrantes pour l’UV) dans les crèmes solaires. Les nanopoudres sont utilisées dans les peintures et vernis. On peut ainsi réaliser des peintures anticorrosion et/ou à forte résistance à l’érosion et aux rayures, réduire les quantités de solvant utilisé, etc. Dans le domaine des pneumatiques l’introduction d’environ 20 % de nanopar- ticules agrégées de noir de carbone permet d’augmenter la résistance à l’usure et au déchirement du caoutchouc. Le noir de carbone peut également être substitué par des nanoparticules de silice (pneu vert de Michelin). Aux Etats-Unis l’industrie propose des poignées de porte recouvertes de produits bactéricides ; le coréen Samsung propose également des lave-vaisselle et des réfrigérateurs dont les revêtements intérieurs sont également bactérici- des. Des matériaux ininflammables présentant les mêmes garanties de sécurité que celles obtenues avec les maté- riaux homologués actuellement, mais pour un coût bien plus faible, peuvent être obtenus par l’introduction de nano-particules d’argile (nanoclays). De même, l’intro- duction de nanoparticules d’argile dans les matériaux composites polymères-fibres de carbone les rend imper- > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < Figure 3. Vitre autonettoyante (Pilkington). 17 La masse surfacique passant de 60 kg/m2 à 12 kg/m2 (projet européen Nanoker). 18 Citons par exemple l’utilisation du Ti6A4V qui est un composite ayant des monofilaments de SiC. 19 Citons quelques grandes marques qui en font l’usage : L’Oréal, Lancôme, Estée Lauder, Chanel, Colgate-Palmolive, etc. 6 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < méables aux gaz. De façon plus anecdotique, indiquons que le premier cadre de vélo comportant des nanotubes de carbone a été utilisé lors du tour de France 2006 et que les nanotubes de carbone commencent également à être employés pour la réalisation de raquettes de tennis. Santé et Médecine Les nanotechnologies trouvent de nombreuses appli- cations en santé et médecine, allant de la recherche phar- maceutique à la réalisation de prothèse. Il est naturelle- ment pas question ici de dresser un panorama, même par- tiel, de ce vaste champ d’applications. Nous nous limite- rons à quelques exemples ponctuels. • La vectorisation des médicaments, qui consiste à « adresser » une molécule thérapeutique vers l’or- gane, le tissu, ou la cellule malade. Ces vecteurs, sorte de « sous-marin » nanoscopique pourrait, dans un avenir proche, pénétrer dans les vaisseaux san- guins pour tuer des microbes, corriger des erreurs génétiques, supprimer des cellules cancéreuses, réparer des tissus, etc.20 (voir figure 4). A titre d’exemple un laboratoire américain (Rice university) travaille sur des « nanoballes » constituées de petites particules d’un diamètre de 110 nm, recou- vertes d’une couche d’or de 10 nm d’épaisseur, s’échauffant sous un rayonnement infrarouge proche et détruisant les cellules cancéreuses à proximité. • L’encapsulation de médicaments permet de les déli- vrer lentement et d’améliorer leur efficacité. L’administration de médicaments peut également se faire par micro seringues, la distribution d’insuline par ce moyen fait l’objet de nombreuses études. • Dans le domaine du diagnostic, l’utilisation de can- tilevers fonctionnalisés peut faciliter, par exemple, le diagnostic du cancer, car lorsque les liaisons fonc- tionnelles spécifiques se lient aux protéines déga- gées par les cellules cancéreuses, il se produit alors un basculement facilement détectable. Avec ce même principe d’autres applications sont également envisagées comme le diagnostic de diabète ou la détection de l’acétone dans le souffle d’un patient. Une autre technique consiste à faire une détection électrique de virus en solution par transistors à effet de champ à nanofils semi-conducteurs en silicium. Quand un virus chargé se lie aux récepteurs (par exemple des anticorps liés au détecteur), la conduc- tibilité du nanofil semi-conducteur change. Quand le virus se détache la conductivité revient à sa valeur initiale. • Les nanotechnologies permettent également d’amé- liorer les performances des matériaux implantables, par exemple pour la réparation des os. A titre d’exemple, les prothèses actuelles de la hanche ou du genou sont en métal ou en polyéthylène, elles ont une durée de vie de 10 ans. En remplaçant le métal par une céramique renforcée par des nanoparticules, Figure 4. Nanotube de carbone fonctionnalisé pour application médicale (projet Ninive). 20 Ainsi dans le projet européen Ninive, ces vecteurs sont des nanotubes de carbone sur lesquels sont greffés des molécule active. 7 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité la durée de vie pourra être portée à 30 ans. Dans le domaine de la chirurgie les matériaux biorésorbables font également beaucoup de progrès. • Les nanotechnologies sont également très promet- teuses pour l’aide à la vision (implant rétinien) et l’aide auditive. Dans le domaine de la vision, l’idée est d’utiliser des capteurs électroniques (CCD) et de réaliser l’interface avec les neurones à l’aide, par exemple, de connections par canaux microfluidiques (les stimulations sont réalisées par voies chimiques). Dans le domaine auditif des implants mis en place sur la cochlée (organe de l’audition) permettent de restaurer partiellement l’ouïe. • La puce à ADN, substrat de quelques centimètres carrés sur lequel sont gravés des variants génétiques différenciant un individu d’un autre est de plus en plus utilisée. Elle permet d’étudier des centaines de gènes à la fois. La technique est fondée sur l’appa- riement de deux brins d’ADN complémentaires, l’un (la sonde), est fixé sur une surface, l’autre (la cible) est libre et doté d’une molécule fluorescente. L’intensité de la coloration dépend de la concentra- tion de la cible. En déposant un peu d’ADN extrait du sang on peut étudier rapidement le génome d’une personne. Les applications des puces à ADN sont nombreuses : médecine, surveillance bactérienne de l’environnement et industrie agroalimentaire. Energie et Environnement Les nanotechnologies sont également très présentes dans les divers secteurs de l’énergie. Les accumulateurs, les « piles » non rechargeables, les piles à combustible, les cellules photovoltaïques tirent tous profits, pour des raisons différentes, des propriétés nouvelles de la matière finement divisée21 . Citons à titre d’exemple, les travaux qui sont faits dans le domaine du stockage d’énergie : de nouveaux supercondensateurs à base de nanotubes de car- bone sont à l’étude. Ils pourraient être rechargeables en quelques secondes et permettraient de remplacer les bat- teries. L’enjeu est non seulement économique (sources d’énergie meilleur marché), mais également environne- mental (développement de sources propres). Le domaine de l’éclairage domestique et industriel peut tirer un grand bénéfice des nanotechnologies. Selon Al Romig (du laboratoire Sandia), l’éclairage nouveau peut réduire la consommation mondiale d’électricité de 10 %22 et réduire l’émission de CO2 de l’équivalent de 28 millions de tonnes par an. Indiquons que le développement de maté- riaux de construction adaptable à l’environnement thermi- que permet également de diminuer la consommation éner- gétique et partant, la pollution associée. L’efficacité actuelle des cellules photovoltaïques varie varie de 5 à 28 % dans le meilleur des cas. Des études sont engagées pour reproduire la synthèse chlorophyl- > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < 21 Les carburants des moteurs thermiques, les carburants et comburants liquides ou solides des moteurs de fusées sont également concernés. Ainsi le rendement des propergols peut être potentiellement amélioré par l’utilisation de nanoparticules. Dans le cas des avions, des additifs pour carburants peuvent augmenter la portée de vol et réduire les émissions polluantes. Un gain de 10 % de l’efficacité des carburants est attendu. 22 Soit l’équivalent de trois fois la consommation énergétique totale de la France. Figure 5. Synthèse chlorophyllienne artificielle. 8 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < lienne dont l’efficacité atteint 80 % (voir figure 5). Toutefois les processus mis en jeu sont extrêmement complexes et les cellules photovoltaïques chlorophyllien- nes n’apparaîtront probablement qu’à une échéance loin- taine. Transport Dans le domaine des transports, l’utilisation des nano- technologies est la plupart du temps indirecte, au sens où ce secteur va bénéficier des efforts faits dans le domaine des matériaux, des capteurs, de l’énergie, etc. L’utilisation de composites résistants et légers permet- tra une consommation réduite, de même que l’améliora- tion des pneus évoquée plus haut. L’électronique joue également un rôle important pour la réduction de la consommation et de la pollution, dans le domaine auto- mobile, cela va des capteurs haute température aux futurs systèmes de régulation pour autoroutes automatiques. Concernant l’énergie, le développement de certaines sources alternatives à l’essence s’appuie sur les nanotech- nologies, citons par exemple l’amélioration des batteries et le développement de piles à combustible pour les moteurs hybrides où le stockage hydrogène. Arrêtons- nous un instant sur ce dernier point. « Brûler » de l’hydro- gène ne pollue pas23 , puisque cela produit de la vapeur d’eau. Mais un réservoir d’hydrogène ayant une énergie équivalente à un réservoir d’essence devrait être 3000 fois plus grand ! Le problème du stockage se pose donc. Une solution possible est l’utilisation de nanotubes de carbone lesquels sont capables de stocker de 4,2 % à 65 % de leur poids en hydrogène, la densité d’hydrogène stockée peut alors être proche de celle de l’hydrogène liquide. Notons que de nouveaux matériaux aux propriétés électro et/ou magnéto-mécaniques particulières permet- tent de concevoir des ailes reconfigurables (morphing wings) : voir figure 6. Sécurité Nous nous limiterons à l’évocation des capteurs chi- miques et biologiques, aujourd’hui essentiellement déve- loppés pour des applications défense, mais dont les retombées dans le domaine de la protection civile (détec- tion d’explosifs, de drogues, etc.) sont importantes (d’au- tres applications sont également attendues dans le domaine du contrôle de pollution). Un grand nombre de techniques sont explorées, parmi lesquelles la mise en œuvre de nanotubes de carbone. Les transistors à nanotu- bes possèdent en effet une propriété exceptionnelle, celle d’être très sensible à leur environnement. On peut ainsi réaliser des détecteurs chimiques extrêmement précis. Si l’on dépose des nanotubes de carbone entre deux électro- des d’or au-dessus d’un substrat en silicium, on constate que la caractéristique du transistor ainsi réalisé varie de façon importante lorsqu’il est exposé à la présence d’un gaz24 . Des seuils de détection inférieurs au ppb (partie par billion, soit 10-9 ) ont été démontrés. Chaque transistor étant extrêmement compact, il est possible d’envisager, en utilisant une matrice de CNTFET, de détecter un ensemble d’agents chimiques (voir figure 7). Notons qu’il est également possible de faire de la détection biolo- gique par nanotubes, ou par nanofils. Figure 6. Aile adaptable (« morphing wing »). 23 De plus l’hydrogène est 50 % plus efficace que l’essence. 24 Ce phénomène est interprété comme un effet Schottky entre le CNT et l’électrode métallique et dont l’amplitude dépend du type de métal utilisé et de la nature du gaz. 9 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité Les nanotubes de carbone et leur potentia- lité dans le transport de l’électricité Les nanotubes carbone possèdent des propriétés excep- tionnelles, en particulier une excellente conductivité élec- trique et thermique. Richard Smalley, co-découvreur des fullerènes et prix Nobel de chimie 1996, disait : « Je pense que la transmission électrique est le destin de ces maté- riaux et je veux faire en sorte que cela se produise ». Ce sont essentiellement les travaux qu’il a initiés à l’univer- sité de Rice que nous présentons plus bas. On distingue les nanotubes multi-parois (MWNT, Multi Wall Nano Tube), qui ont un caractère métallique et les nanotubes simple paroi (SWNT, Single Wall Nano Tube) qui sont soit métallique, soit semi-conducteur. Les nanotubes monoparois peuvent être classés en fonction de leur chiralité, c’est-à-dire de l’orientation de la feuille de graphène, qui repliée, conduit aux nanotubes25 . Sans ren- trer dans le détail, disons simplement qu’il existe trois configurations de SWNT, la première est dite « Armchair », la seconde « Zigzag » et la troisième « Chiral ». La configuration intéressante pour les applica- tions en transport d’électricité est la configuration « Armchair », c’est pourquoi on parle de « Armchair Quantum Wire » (AQW). L’idée est d’utiliser les AQW pour réaliser des câbles quantiques ou, comme les appellent les américains des “quantum wires”. Les AQW ont une meilleure conduction électrique que le cuivre (conductibilité électrique au moins deux fois plus grande) et ont une densité six fois moindre. De plus, les câbles de transport électrique ainsi réalisés à partir d’AQW seraient plus solides que l’acier et auraient une expansion thermique très faible, d’où au total de nombreux avantages : réduction des pertes, masse réduite, absence de ploiement et forte densité de puis- sance transportée. L’université américaine de Rice26 développe actuelle- ment un prototype de câble quantique, l’objectif étant d’en disposer d’un mètre en 2010. On pense que des câbles réa- lisés à partir d’« AQW » pourront conduire l’électricité sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres avec des pertes très faibles27 . La propagation des électrons à travers chacun des nanotubes est un peu comparable à la propaga- tion de la lumière dans des fibres optiques. Chaque nanotube peut conduire un courant de 20 µA, et comme dans un câble il y en aurait de l’ordre de 1014 /cm2 cela conduirait à une densité de courant de 2 GA/cm2 . Même si l’on obtient que 5 % de cette valeur, la densité de courant reste énorme : 100 MA/cm2 (valeur à comparer à un câble de cuivre simple conduisant un > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < Figure 7. Détecteur de gaz NBC. 25 C’est la chiralité qui confère le caractère métallique ou semi-conducteur des SWNT. 26 Plus précisément le « Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology”. 27 Notons que les recherches sur les câbles supraconducteurs se poursuivent, mais l’avantage des câbles « AQW » est qu’ils n’ont pas à être refroidis à des températures cryogéniques, tout en ayant des performances comparables. 10 REE N° 3 Mars 2008 > L’ article invité > XXIe siècle : le siècle de la nanoconvergence, du stockage de données aux câbles de puissance < courant de 2000 A)28 . Pour l’heure une fibre de 50 µm, comportant 109 SWNT et ayant une longueur de 100 m a été réalisée29 (voir figure 8). Beaucoup de problèmes restent à résoudre. Le premier d’entre eux est la fabrication de ces câbles, qui de plus doit être obtenue pour un coût raisonnable. Pour fixer les idées, le prix actuel des SWNT est de 250 000 $ le kg, il faudrait qu’il soit de quelques centaines de $ le kg pour que leur utilisation à grande échelle soit envisageable. Une méthode de fabrication possible consisterait à faire croître les nanotubes comme on fait croître les cristaux. En plaçant un « germe » de nanotube dans un réacteur dans lequel on injecte du monoxyde de carbone (ou autre molécule carbonée), les chercheurs espèrent pouvoir obtenir la variété « armchair » des nanotubes. L’enroule- ment par paquet de ces nanotubes permettrait alors d’ob- tenir des câbles quantiques. Un objectif assez réaliste est la réalisation de câbles de transport d’électricité ayant une capacité de transport dix fois supérieure à celle des câbles actuels en alumi- nium renforcés d’acier et possédant une très faible résis- tance, de sorte qu’une partie de l’électricité ne serait plus dissipée en chaleur. Références Il existe de très nombreux ouvrages sur les nanotechnologies, nous n’en citerons que deux à la fois très accessibles et très riches en informations. J.J. SAMUELI, “Par delà les nanosciences et les nanotechnolo- gies”, Ed. Ellipses, 2007. D. LUZEAUX,TH PUIG, “A la conquête du nanomonde, nanotech- nogies et microsystèmes”, Ed. Du Félin, 2007. Figure 8. Câble quantique. 28 Les câbles seraient constitués de « filaments », un peu à la façon d’un câble optique constitué de fibres optiques. 29 Science 305, 1447-1450, 3 sept. 2004. L ’ a u t e u r Jean-Claude Boudenot a piloté les activités de recherche en nanotechnologies au sein de Thales Research & Technology (TRT) et dirigé, également au sein de TRT - le laboratoire central de recherche du groupe Thales-, la “Plate-forme technologique com- mune” en relation étroite avec l’Ecole Polytechnique, le CNRS et l’Institut d’Optique. Jean-Claude Boudenot est actuellement direc- teur de la communication technique au sein deThales et enseigne par ailleurs les nanotechnologies à l’Ecole doctorale EDITE ainsi que la physique à l’Institut Supérieur d’Electronique de Paris (ISEP). Il exerce au quotidien les relations entre enseignement, recherche et industrie dans le domaine des nanotechnologies où la synergie entre technologie, physique, chimie et biologie est essentielle. Jean-Claude Boudenot est membre émérite de la Société de lÉlec- tricité, de l’Électronique et des Technologies de l’Information et de la Communication (SEE), membre senior de l’IEEE et membre de la Société Française de Physique.