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nanoscience : À la conquête de l'infiniment petit
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À la conquête de l'infiniment petit
La révolution des nanotechnologies : réalisations et promesses
par Philippe Mercure

Refaire le monde à l'échelle de l'atome. C'est la mission que s'est donnée la nanotechnologie, cette science de l'infiniment petit. La révolution technologique est en marche et promet de bouleverser autant la médecine que l'électronique, sans compter les multiples disciplines de l'ingénierie.

Arrachez un de vos cheveux et tenez-le entre vos doigts. Le cheveu est si mince qu'il est difficile à manipuler avec les mains. Imaginez maintenant que vous coupiez ce cheveu en cent mille parties égales. Pas dans le sens de la longueur, mais bien dans le sens de l'épaisseur, là où il est si mince. Vous obtiendriez alors des tranches de cheveu d'environ un nanomètre d'épaisseur. Un nanomètre, c'est un millionième de millimètre. Nous sommes ici dans un autre monde, celui des atomes et des molécules. Les lois de la physique qui régissent les choses à l'échelle humaine ne s'appliquent plus. Si l'homme mesurait un nanomètre, un atome d'hydrogène apparaîtrait comme un petit ballon, et un globule rouge semblerait plus grand que le mont Everest. C'est ce monde inaccessible que les nanotechnologies s'efforcent de conquérir depuis quelques années. Et les résultats sont déjà tangibles dans une foule de domaines.

De nouveaux matériaux sur mesure
Pour comprendre comment les nanotechnologies sont en train de révolutionner la science des matériaux, considérons deux objets : une mine de crayon et un diamant. Alors que la mine est noire, salissante et friable, le diamant est translucide et dur comme aucun autre matériau. Pourtant, les deux objets sont formés de carbone pur. Comment un même élément peut-il générer des propriétés aussi différentes? C'est que la façon dont les atomes sont agencés à l'échelle de l'infiniment petit influence dramatiquement les propriétés du matériau. Et c'est là toute l'ambition de la nanotechnologie : aller modifier la structure microscopique de la matière pour en tirer des matériaux aux propriétés nouvelles.

Un exemple tout simple : du cuivre constitué de grains de 15 nanomètres est trois fois plus résistant que s'il est formé de grains de 50 nanomètres, et il est plus malléable. Il n'en fallait pas plus pour que les industries se mettent à produire toutes sortes de matériaux sous forme de nanoparticules. Combinées entre elles ou incorporées à des matériaux existants, ces nanoparticules mènent à des résultats étonnants. Des nanocomposites de plastique ont permis de concevoir des pare-chocs 60 % plus légers et deux fois plus résistants aux égratignures. Des nanocristaux de métaux qui absorbent mieux la lumière améliorent la performance des cellules solaires, apportant un nouvel espoir aux partisans des énergies renouvelables. Des balles de tennis qui durent deux fois plus longtemps, du carburant pour les navettes spatiales qui brûle deux fois plus efficacement, des pantalons antitaches composés de nanofibres qui repoussent la saleté : ce sont quelques-unes des petites révolutions que ces technologies sont déjà venues apporter.

Un coup de pouce au corps humain
Les nouvelles techniques de l'infiniment petit ont aussi permis de belles applications dans le domaine de la médecine. Par exemple, la compagnie AngstroMedica a breveté un matériau pour fabriquer des os synthétiques. En assemblant au niveau moléculaire les deux composants des os, le calcium et le phosphate, la compagnie a réussi à reproduire la composition des os naturels. Une avancée qui aidera à traiter les fractures et les maladies des os.

La nanotechnologie est présente jusque dans les aliments que nous mangeons. Certaines vitamines ne sont pas solubles dans l'eau, mais, lorsqu'elles sont produites sous forme de nanoparticules, elles peuvent être mélangées à l'eau et être absorbées par le corps sous forme de breuvage. Plusieurs limonades et jus de fruits contiennent ainsi des « nanovitamines ». Des nanoparticules ont aussi été introduites dans les crèmes solaires afin de bloquer les radiations UV. La petite taille des particules permet à la crème de ne pas devenir opaque.

Des laboratoires miniatures de biologie
Les biopuces seront sans aucun doute une des applications des nanotechnologies qui aura le plus d'effet. Une biopuce utilise le principe d'hybridation de l'ADN pour détecter des gènes, des microbes ou d'autres agents biologiques. On sait que l'ADN est formé de deux brins complémentaires qui s'assemblent pour former une double hélice. L'idée est la suivante : on fixe sur la biopuce un brin d'ADN dont la séquence est connue et qui servira de sonde. On envoie ensuite la biopuce en patrouille dans un environnement donné. Si le brin complémentaire de la sonde est présent dans le milieu, les deux brins reformeront spontanément la double hélice et on aura détecté le produit recherché. Sur une biopuce d'un centimètre carré, on peut ainsi placer jusqu'à plusieurs dizaines de milliers de sondes. Les possibilités sont extrêmement intéressantes : détecter les microbes ou autres polluants organiques dans l'eau potable, rechercher des gènes spécifiques dans le corps humain, identifier les gènes impliqués dans l'efficacité d'un médicament, etc. Les biopuces commencent à être commercialisées et leur utilisation devrait s'étendre rapidement.

Mieux voir, guérir, réparer...
Il est difficile de prédire comment les technologies de l'infiniment petit influenceront le monde de la médecine dans quelques années. Certains imaginent déjà des armées de robots miniatures qui patrouilleront le corps humain pour y réparer les tissus, éliminer les tumeurs et y fournir des médicaments. Si tout ça paraît bien loin, il reste que certaines avancées ont des airs de science-fiction. Ainsi, la société israélienne Given Imaging a inventé une minicaméra qui s'intègre dans une pilule et qui permet de filmer le système digestif. Certains groupes de recherche ont également réussi à créer des canaux microscopiques qui permettent de percer les membranes des cellules, ouvrant ainsi la porte à la destruction des cellules cancéreuses.

De nouvelles structures de carbone
Le carbone est un élément fascinant. Jusqu'à tout récemment, on en connaissait que deux formes : le graphite des mines de crayon et le diamant, les deux objets qui nous ont servi à illustrer l'influence de l'agencement des atomes sur les propriétés d'un matériau. En 1985, on a découvert une nouvelle structure surprenante : une sphère creuse formée de 60 atomes de carbone disposés en 12 pentagones. Bref, la structure exacte d'un ballon de soccer, mais à l'échelle du nanomètre. On baptisa la nouvelle molécule « buckminsterfullerène » d'après Buckminster Fuller, un architecte reconnu pour ses constructions aux allures similaires. Bien vite ces « buckyballs », comme on les surnomme, sont devenues les plus courantes et les plus célèbres d'une famille de molécules pouvant comporter jusqu'à 540 atomes de carbone qu'on nomme fullerènes. Ces nouvelles formes de la matière ont produit une vive curiosité parmi la communauté scientifique. Puis, en 1991, le Japonais Sumio Iijima, en synthétisant des fullerènes, a découvert quelque chose d'encore plus surprenant : des atomes de carbone se présentaient sous la forme de longs tubes creux. La curiosité se transforma vite en enthousiasme : les nanotubes de carbone étaient sur toutes les lèvres.

Les nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone sont une des grandes vedettes des nanotechnologies, et pour cause. Jusqu'à cent fois plus rigides que l'acier et six fois plus légers, ils ont fait la joie des concepteurs qui ont imaginé mille et un usages pour ces petites merveilles. En plus de leurs caractéristiques mécaniques extraordinaires, les nanotubes présentent également des propriétés électriques uniques. Ce sont en effet les seuls matériaux connus à pouvoir être conducteurs ou semi-conducteurs en fonction de leur géométrie. Quand on sait que les circuits électroniques contenus dans les ordinateurs sont des assemblages de matériaux conducteurs et semi-conducteurs, on comprend tout le potentiel qu'offrent ces nouveaux matériaux. D'autant plus que sous leur forme conductrice, les nanotubes sont tout simplement les meilleurs conducteurs connus d'électricité.

Une seule ombre à ce beau tableau : malgré beaucoup d'efforts de recherche, on n'a pas encore trouvé le moyen de produire efficacement les nanotubes de carbone en quantité raisonnable. Si bien que pour l'instant, à 1500 dollars américain le gramme, ils sont plus chers que l'or et peu rentables à exploiter.

La nanotechnologie à la rescousse de la microélectronique?
Le fait que l'industrie des circuits électriques s'intéresse aux nanotubes de carbone n'a rien de surprenant. En effet, s'il est une industrie où la miniaturisation est le mot d'ordre depuis longtemps, c'est bien la microélectronique. En 1965, Gordon Moore, le cofondateur de la compagnie Intel, avait prédit que le nombre de transistors contenus dans les circuits intégrés doublerait tous les 18 mois. Une prédiction à laquelle l'industrie est restée presque fidèle depuis près de quarante ans, si bien qu'on peut aujourd'hui placer 125 millions de transistors sur une petite plaquette de 112 millimètres carrés. Mais un mur se dressera bientôt sur le chemin de la miniaturisation. C'est que les transistors traditionnels ne peuvent pas être réduits au-delà d'un certain seuil, car ils perdent alors de leur efficacité. On prévoit maintenant que cette barrière technologique sera atteinte vers 2018. Il faudra alors trouver un remplaçant aux circuits intégrés traditionnels. C'est pour cette raison qu'actuellement on se tourne vers la nanotechnologie pour apporter des solutions. Parmi les candidats en liste, l'électronique moléculaire est particulièrement intéressante.

L'idée derrière l'électronique moléculaire est à la fois simple et ambitieuse : utiliser les briques élémentaires de la matière, c'est-à-dire les atomes et les molécules, pour bâtir pièce par pièce les circuits intégrés de demain. Le premier transistor moléculaire constitué d'un nanotube de carbone a déjà été construit par des chercheurs de chez IBM. Mieux encore, on a créé un circuit logique complet sur cet unique nanotube. Un grand pas en avant, certes, mais qui soulève des questions importantes. C'est que la nanotechnologie se heurte ici aux défauts de ses qualités : l'infinie petitesse de son objet d'étude. Construire un transistor en déplaçant une molécule à la fois, soit. Mais comment procéder lorsque vient le temps de fabriquer les 125 millions nécessaires au fonctionnement d'un seul Pentium 4? Il s'agit du défi le plus considérable de la nanotechnologie actuelle.

Comment refaire le monde atome par atome?
Pour travailler la matière au niveau de l'infiniment petit, deux approches sont possibles. La première est celle qui a conduit à la vaste majorité des applications technologiques réalisées jusqu'à maintenant. Elle consiste à prendre un bloc de matière, puis à le sculpter, le broyer, le graver pour en produire des structures miniatures. C'est la démarche qu'on appelle « top-down » en anglais : du grand vers le petit.

L'électronique moléculaire est un exemple d'une technique différente, qui entend construire littéralement des structures nanométriques à partir de blocs encore plus petits, soit les atomes et les molécules. C'est l'approche « bottom-up », du petit vers le grand. Dès 1990, on a réussi l'exploit d'écrire le logo IBM avec 35 atomes de xénon. C'est avec des microscopes de pointe (microscope à effet tunnel et microscope à force atomique) que l'on peut manipuler ainsi les atomes. Mais ces outils ont leurs limites : chaque déplacement d'atome peut prendre plusieurs minutes. Or, même avec des appareils qui pourraient déplacer un million d'atomes par seconde, il faudrait un temps équivalent à l'âge de l'Univers pour construire une feuille de papier! Le défi : trouver un moyen d'assembler des quantités phénoménales d'atomes et de molécules dans des temps raisonnables. Des chercheurs mettent actuellement sur pied des nanorobots qui pourraient remplir ce rôle. D'autres croient plutôt à l'autoassemblage : les atomes et les molécules s'associeraient entre eux selon un plan établi. Par exemple, en ajoutant des molécules chargées à la surface des nanotubes de carbone, on a pu les aligner sur une plaque qui présentait des motifs avec des charges opposées.

Dans le domaine de l'assemblage, la nature, qui parvient à organiser des quantités hallucinantes de molécules pour former toutes sortes d'êtres vivants, force l'admiration. On y puisera peut-être les solutions aux défis que rencontre aujourd'hui la nanotechnologie. En attendant, les retombées de cette nouvelle science continuent de transformer de grands pans de l'activité humaine. Et ça ne fait que commencer.

Philippe Mercure détient un baccalauréat en génie physique de l'École polytechnique de Montréal et complète une maîtrise en optoélectronique au même endroit. Il a effectué un stage de recherche à la Helsinki University of Technology en Finlande et est le récipiendaire de la bourse Fernand-Seguin 2003 en journalisme scientifique. Il effectue actuellement un stage à l'émission Découverte de la télévision de Radio-Canada.

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