DU NANOMONDEÀ L A D É C O U V E R T E

DU NANOMONDEÀ L A D É C O U V E R T E

n monde nouveau est en train de naître. Il nous promet des

produits plus petits, plus légers,moins chers. Il nous propose des ordinateurs plus performants,des moyens de communicationplus rapides, des traitements médicaux plus efficaces, un environnement plus propre, un cadre de vie plus agréable.

C’est le nanomonde : le monde des nanosciences et des nanotechnologies.

Il vise à élaborer de nouveauxmatériaux et des composants toujours plus petits, à construire"atome par atome" de nouvellesmolécules et à les assembler pour réaliser de nouvelles fonctions, et à exploiter des phénomènes nouveaux qui n'apparaissent qu'à l'échelledu nanomètre.

Que sont les nanosciences ?Comment fabrique-t-on les nanocomposants ?En quoi les nanotechnologies vont-elles améliorer notre vie quotidienne ?

Partons à la découverte de ce monde fascinant !

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2

3

4

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INTRODUCTION AU NANOMONDEp 2 Qu’est-ce que le nanomètre ?

p 3 Comment fabriquerdes nanocomposants ?

AUJOURD’HUI : L'ÈRE DES MICROTECHNOLOGIESp 4 Du transistor au circuit intégré

p 8 L’accéléromètre

p 10 L’optique adaptative

p 12 L’imprimante à jet d’encre

p 13 Le distributeur d’insuline

p 14 Le laboratoire sur puce

p 15 La biopuce à ADN

p 16 Les problèmes de la miniaturisation

DEMAIN : LES MICRO- ET NANOTECHNOLOGIESp 18 Quels sont les outils actuels

des nanotechnologies ?

p 20 Comment fabriquer des objets nanométriques ?

p 21 Les nanotubes de carbone

p 23 Les nanocristaux fluorescents

p 24 Les revêtements nanomodifiés

p 24 La poussière électronique communicante

p 27 Les implants et les prothèses biocompatibles

ET APRÈS ? p 26 Le transistor à un électron

p 27 L’électronique de spin

p 28 L’électronique moléculaire

p 28 Les nanomatériaux

p 29 Les capteurs chimiques et biologiques

p 30 Les vecteurs de médicaments

CONCLUSION

U

1

1AU NANOMONDEI N T R O D U C T I O N

Le préfixe "nano" vient du grec etsignifie très petit. Les scientifiquesl'utilisent comme préfixe dans lesunités de mesure pour exprimer le milliardième de l'unité de base :le nanomètre est le milliardième de mètre, soit 0,000 000 001 mètre.Il est d'usage de l'écrire en abrégé "nm".

Un nanomètre, c’est environ :• 500 000 fois plus fin que

l'épaisseur du trait de stylo à bille ;

• 30 000 fois plus fin quel’épaisseur d’un cheveu ;

• 100 fois plus petit que la molécule d’ADN ;

• 4 atomes de siliciummis l'un à côté de l'autre.

Qu’est-ce quele nanomètre ?

Les dimensions du monde du vivant et celles des produits

fabriqués par l'homme nous donnent une bonne idée de

l'échelle du nanomonde.

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2

• en adoptant une voie descendante(en anglais "top-down") : on partd’un matériau, on le "découpe" eton le "sculpte" pour réduire le pluspossible les dimensions de l'objetou du composant que l'on veutfabriquer. C'est la voie qu'a suiviel'électronique depuis 30 ans, provo-quant une révolution technologiquedont l'ordinateur est le résultat le plus remarquable. L’effort deminiaturisation a d'abord conduit à des composants de dimensionsmicrométriques et est maintenantdescendu en dessous des 100 nm.

• en adoptant une voie ascendante(en anglais "bottom-up") : onassemble la matière atome paratome pour construire des molé-cules que l'on intègre ensuite dansdes systèmes plus grands. Cettevoie est similaire à celle suivie par la nature : à partir des molé-cules d'ammoniac, de dioxyde de carbone, d'eau et de sels minéraux, elle a formé durant 4 milliards d'années d'évolution le monde du vivant si riche et sicomplexe d'aujourd'hui.

Comment fabriquerdes nanocomposants ?

Retraçons d’abord l’histoire récente de la micro-électronique, qui nous amènera au seuil des nanosciences.

Le micromètre (ou micron)représente le millionième de mètre,soit 0,000 001 mètre.Il s’écrit en abrégé “µm”.

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3

2Le progrès fulgurant

de l'électronique est dû à l'invention

du transistor en 1948par John Bardeen,

Walter Brattain et William Shockley

(laboratoires Bell,États-Unis), inventionqui leur a valu le prix

Nobel de physique en 1956. En raison

de son faible encombrement et

de sa consommationréduite, le transistor

a rapidement sup-planté les volumineux

tubes à vide (les lampes) et a ainsi

ouvert la voie à la miniaturisation parl'approche descendante

("top-down").

Le transistor est un dispositif électronique qui a trois électrodes appelées :source, drain et grille. Il agit comme un interrupteur : il laisse passer le courant électrique entre la source et le drain si l'on applique une tension électrique sur la grille. Si l’on supprime la tension sur la grille,le courant ne passe plus.

Du transistorau circuit intégré

MICROTECHNOLOGIESA U J O U R D ’ H U I , L ’ È R E D E S

▼▼

Qu’est-ce qu’un transistor ?

Transistor.

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4

Fonctionnement du transistorUne tension appliquée sur la grilleinduit un canal de conduction sous l’isolant. Le courant d’électronspeut alors passer entre la source et le drain.

Si l’on supprime la tension appliquéesur la grille, le canal de conductiondisparaît et le courant est interrompu.

Substrat

DrainSource

GrilleIsolant

Courantd'électrons

Canal de conduction

- ++

Substrat

DrainSource

GrilleIsolant

- +

Transistor conducteur (interrupteur fermé)

Transistor bloqué (interrupteur ouvert)

GrilleDrainSource

Une autre inventiondécisive a été

le circuit intégré,réalisé en 1959 par Jack Kilby, (société Texas

Instruments, prixNobel de physique

en 2000) et Robert Noyce

(FairchildSemiconductor).

Les premiers circuits électro-niques consistaient en un assem-blage de divers composants(transistors, résistances, conden-sateurs) reliés par des fils élec-triques.

Dans le circuit intégré, les compo-sants sont dès leur fabricationinterconnectés sur un supportcommun en silicium, appelé puce.Il est ainsi plus petit, moins cher,contient plus de composants etpeut réaliser plus de fonctions que“ses ancêtres”.

Les circuits intégrés ont envahi lesappareils de notre vie quotidienne,du lecteur de DVD à la carte ban-caire en passant par la télévision,le téléphone, l'appareil photonumérique, l'ordinateur, la machineà laver, le four à micro-ondes etl'automobile.Un des circuits intégrés les plusrécents est le microprocesseur. Il est constitué de millions de tran-sistors et réalise des opérationsmathématiques très complexesavec une rapidité fulgurante. Il estdevenu le cœur de tout ordinateur.

Qu’est-ce qu’un circuit intégré ?

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5

Circuits intégrés.

▼

1 cm

2 AUJOURD’HUI :L ' È R E D E S M I C R O T E C H N O L O G I E S

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Fabriquer un circuitintégré est un

processus complexequi implique

des centaines d'opérations,

une grande précisionet de nombreux tests.

Le matériau de base du circuitintégré est le silicium, élément chi-mique le plus courant sur la Terre,que l'on trouve en abondance dansle sable. Extrait du sable par puri-fication, le silicium est cristallisésous la forme de barreaux de 20 à 30 centimètres de diamètre quel'on va ensuite découper en tran-ches de moins d'un millimètre d'épaisseur. C'est sur cette tran-che que l'on fabriquera en mêmetemps des centaines de puces,

grâce à la technique de la photoli-thographie, qui, à certains égards,est analogue au procédé de déve-loppement des clichés photogra-phiques.Les unités de fabrication de circuitsintégrés sont appelées "sallesblanches" car elles doivent pré-senter des conditions extrêmes de propreté. En effet, le moindregrain de poussière pourrait com-promettre le bon fonctionnementdu circuit.

Depuis 30 ans, la fabrication descomposants micro-électroniquesest de plus en plus performante :tous les 18 mois, le nombre destransistors sur la surface d'unepuce double et les dimensions desgrilles de transistors diminuentpar un facteur 1,3. Cette tendanceest connue sous le nom de loi deMoore, du nom de son auteur,

Gordon Moore, co-fondateur de la société Intel (USA). Ainsi,aujourd’hui, on fabrique des micro-processeurs de 1 cm2 de surface et contenant 50 millions de tran-sistors ; la surface moyenne d’untransistor est actuellement de 1 micromètre carré et la finessedes motifs réalisés par photolitho-graphie atteint 100 nm.

Tranche de silicium de 300 mm de diamètre.

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Comment fabrique-t-onun circuit intégré ?

50 nm

Puce Transistor

7

La miniaturisation des transistors et la maîtrise des techniquesd'interconnexion ont permis d'augmenter la vitesse de fonc-

tionnement des microprocesseurs, ce dont témoignel'augmentation continue de la vitesse des micro-

processeurs des ordinateurs grand public(100 MégaHertz en 1995 ; 2,4 GigaHertz

en 2003, soit 24 fois plus) pour unprix de vente pratiquement

constant.

Salle blanche de la société STMicroelectronics(Crolles, Isère)où sont fabriqués des circuits intégrés.

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76 000euros

1973

6 000euros

1977

450euros

1981

120euros

1984

30euros

1987

4,5euros

1990

0,46euros 0,06euros 0,004euros

1995 2000 2005

Evolution du coût de fabrication d’un million de transistors en 30 ans.

Le coût de fabrication des transistors sur une puce a baissé de façon spectaculaire : en 1973, le prix d'un million de transistors intégrés équivalait à celui d’une maison ; en 2005, il sera celui d’un post-it.

▼

La loi de Moore :tous les 18 mois, le nombre des transistors sur la surface des puces électroniques double et la taille de leur grille diminue par un facteur 1,3.

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100 000 000

10 000 000

1 000 000

100 000

10 000

1 0001970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Année

Transistors

10

100

1 000

1970 1995 2000 2005 2010 2015Année

Taille de la grilledu transistor

(nm)

2 AUJOURD’HUI :L ' È R E D E S M I C R O T E C H N O L O G I E S

Les technologies développées dans l'industrie micro-

électronique ont ététransposées avec

succès pour fabriquerdes microsystèmesélectromécaniques,

c'est-à-dire des systèmes miniaturisés

qui intègrent sur une même puce desparties mécaniques

(capteurs d'accéléra-tion ou de pression,

miroirs, micromo-teurs) et des circuits

électroniques associés.

Ils trouvent des champs

d'application dans desdomaines chaque jour

plus variés et plusnombreux comme

la sécurité routière, la navigation aérienne,l'observation astrono-

mique, l'impression, la prévention médicaleet les soins médicaux.

En voici quelquesexemples.

L’accéléromètre

lamelle

cadrepeigne

déplacement du peigne

Un des premiers microsystèmes àavoir été développé est l'accéléro-mètre. Il est entre autres utilisépour déclencher le gonflage desairbags des véhicules en cas dechoc brutal.L'accéléromètre est constitué dedeux pièces de silicium en formede peignes complémentaires :l'une est fixe et constitue le cadre ;l'autre est mobile à l'intérieur dece cadre, suspendue par unelamelle flexible, sans contact entreles deux parties. En cas de chocbrutal du véhicule, la partie mobile

se déplace par inertie dans le sensopposé au mouvement, comme lepassager d'un bus qui est deboutet se trouve projeté en avant quandle bus freine. Ce changement dedistance entre le peigne mobile etle cadre modifie la capacité élec-trique de l'ensemble. Dès que le circuit intégré mesurece changement de capacité élec-trique, il commande le gonflagede l’airbag, avant même que leconducteur et les passagers duvéhicule ne soient projetés enavant.

À droite,image au microscope optique de l'accéléromètre.

▼

Déclenchementd'airbag.

▼

À gauche,fonctionnement de l'accéléromètre :le peigne se déplace par inertiequand l'ensemble accélère ou décélère.

▼0,5 mm

© C

EA-L

ETI

8

Taille d’un accéléromètre. ▼

L'accéléromètre a d'autres appli-cations. Il est utilisé dans les sys-tèmes de navigation pour calculeret contrôler les trajectoires desavions, missiles et automobiles,car toute modification de directionse traduit par un changementd'accélération.

Dans le domaine médical, il estdésormais intégré dans les pace-makers, qui servent à stimuler le cœur défaillant des patients par des impulsions électriques.L'accéléromètre détecte toutchangement de rythme d'activitéphysique. Ainsi, quand le patientcommence à courir, le pacemakermodifie les impulsions électriques

envoyées au cœur pour les adapterà l'intensité de l'effort physique. Des chercheurs réfléchissentactuellement à l'intégration del'accéléromètre dans les stylosafin de sécuriser les signatures :seront enregistrés non seulementle tracé réalisé par l'auteur de lasignature mais aussi les vitesseset les accélérations de sa main entrain de signer. Si une personnemal intentionnée reproduit le tracéd'une signature qui n'est pas lasienne, elle ne saura pas la traceraux mêmes vitesses et avec lesmêmes accélérations que sonvéritable auteur.

Le pacemaker a aujourd'hui intégré un accéléromètre.

▼

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2 AUJOURD’HUI :L ' È R E D E S M I C R O T E C H N O L O G I E S

Les microsystèmes ont également de nombreuses

applications en optique.

L’optique adaptative

Le principe de l'optique adaptative : l’onde lumineuse arrive sur le miroir déformable et est envoyée vers l'analyseur. Ce dernier analyseles perturbations que l'onde a subies en traversant l'atmosphère. Les données sont traitées par le système de contrôle qui commande ensuite la déformation du miroirafin de minimiser les effets desperturbations atmosphériques.

▼

Ondelumineusedéformée

Lameséparatrice

Systèmede contrôle

Miroirdéformable

Image hauterésolution

Lumière reçuepar le télescope

Étoile

Analyseurde l'ondedéformée

Ondelumineusecorrigée

▼Image d’une étoile double

À gauche,prise avec un télescope

sans correction ;

À droite,avec un télescope

pourvu d'un système d'optique adaptative.

▼

Quand on observe une étoile dansun télescope, la lumière émise parl'étoile traverse la couche de l'at-mosphère terrestre et est pertur-bée par les variations locales dedensité et de température de l'air. Il s'ensuit que l'image obtenue estfloue.Pour obtenir une image de bonnerésolution, une solution serait deplacer le télescope sur orbiteautour de la Terre afin d'éviter l'at-

mosphère, comme l'ont fait les pro-grammes américains de télescopespatial Hubble et Chandra, maiscette solution est très coûteuse.

Une autre solution, moins onéreuse,consiste à corriger à terre, par l'optique adaptative, l'image reçue :les perturbations que la lumière asubies dans l'atmosphère peuventêtre compensées en réfléchissant la lumière sur un miroir déformable.

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Image des cratères de la luneprises à l'European Southern

Observatory (Chili) avec le Very Large Telescope :

En haut,la photographie sans correction ;

En bas,la photographie, corrigée par

la technique de l'optique adaptative.

10

On réfléchit aujourd'hui à l'application de l'optique adaptative aux examensophtalmologiques. En effet, l'image de la rétine obtenue avec les instru-ments traditionnels est floue car l'humeur aqueuse de l'œil humain n'estpas homogène. Dans le futur, les appareils d'examen ophtalmologiquepermettront, grâce à l'optique adaptative, d'obtenir une image des cellulesde la rétine de meilleure résolution et de détecter plus tôt certaines maladies rétiniennes comme la dégénérescence maculaire.

Le miroir déformable.Quand on applique une tensionélectrique entre le plateau et la plaque d’une cellule,la répulsion électrostatique les écarte. Le piston, fixé sur le plateau mobile, est entrainé et déforme plus ou moins le miroir selon la tension appliquée.

▼

Image de la rétine de l'œil : À gauche,

sans correction ;

À droite,corrigée par l'optique adaptative.

▼

Piston

Membrane

Plateau Plaque

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Ce miroir est réalisé à partir d'une membrane flexible, fixée sur des pistons dont on ajuste la hauteur en y appliquant des tensions électriques.

La réalisation du microsystèmede commande du miroir utiliseles technologies de la micro-électronique.

▼

PlaquePlateau

200 µm

Microsystèmede commande

2 AUJOURD’HUI :L ' È R E D E S M I C R O T E C H N O L O G I E S

Les technologies de la micro-électro-

nique sont aussi utilisées pour

la microfluidique, c'est-à-dire pour

le transport de petitsvolumes de liquide.

De nombreuses applications ont vu

le jour ou sont encours de développe-

ment, notamment dans les domaines

de l'impression (imprimante

à jet d'encre), des soins médicaux

(distributeur d’insuline)

et de l'analyse biomédicale (biopuce

à ADN, laboratoire sur puce).

Processus d'impression : 1) Le microréservoir contient

de l'encre à l'état liquide.

2) La résistance chauffe l'encre liquide jusqu'à ébullition.

3) Sous l'action de la pression,l'encre est projetée vers la feuille à imprimer.

L’imprimante à jet d’encre

▼

L'imprimante à jet d'encre.

▼

La cartouche de l'imprimante à jetd'encre a une tête qui contient plu-sieurs centaines de microréservoirsqui sont alimentés en encre au furet à mesure de l'impression. Ilssont tous pourvus d'une petiterésistance électrique qui chauffetrès rapidement l'encre et en vapo-rise une partie. Sous la pression

alors créée, l'encre restée liquideest expulsée dans des microcanauxet projetée sur la feuille à imprimersous forme de gouttelettes. Ce pro-cessus est répété des milliers defois par seconde. La tête poursuit le balayage horizontal ligne parligne jusqu'au bas de la feuille à imprimer.

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Goutte d'encreen ébullition

Résistanceélectrique

Goutelettesd'encre liquide

Goutte d'encreprojetée

Têteimprimante

Feuillede papier

Microcanal

1

3

2

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Microcanaux

Tête d’impression

Jusqu'à présent, les patients diabétiques utilisaient une seringuepour s'injecter, en une fois, la quantité d'insuline nécessaire. La seringue commence à être remplacée par un distributeur qui, fixésur la peau comme un patch, délivre continûment l'insuline tout au long de la journée.

Ce distributeur contient un micro-système électromécanique consti-tué d'un microréservoir d'insuline àdeux soupapes (l'une pour l'admis-sion et l'autre pour l'évacuation) etd'une membrane déformable.Quand on applique une tensionélectrique sur ce microsystème, lamembrane se déforme et compri-me l'insuline, ce qui provoque l'ou-verture de la soupape d'évacuation,la fermeture de celle d'admissionet l'expulsion du liquide hors dumicroréservoir. Quand ensuite onsupprime la tension électrique, lamembrane reprend sa forme initia-le et la dépression créée dans la

pompe provoque la fermeture de lasoupape d'évacuation et l'ouverturede celle d'admission. Le microré-servoir se remplit alors de nou-veau. À chaque cycle, le microsys-tème délivre un petit volume de 150 nanolitres et permet ainsi dedoser très précisément la quantitéd'insuline à injecter au patient.

Le distributeur d’insuline

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SA, L

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, Sui

sse

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applicationd'une tension électrique

Le liquidesort

Membrane

Soupaped'admission

(fermée)

Soupaped'admission

(ouverte)

Soupaped'évacuation

(ouverte)

Le liquideest aspiré

Soupaped'évacuation

(fermée)

À gauche,phase d’évacuation d'insuline

dans le microréservoir du distributeur ;

À droite,phase d'admission.

▼

Actuellement, le distributeur injectel'insuline par aiguille ; bientôt il lefera par une matrice de micro-aiguilles très fines, dont la profon-deur de pénétration sera très faible,de l'ordre de 100 micromètres, etqui seront presque insensibles pourle patient.

13

Matrice de micro-aiguilles.

▼

Microsystème du distributeur d’insuline.

▼

La distributeur d'insuline s'applique en permanence sur le corps du patient comme un patch.

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100 µm

2 AUJOURD’HUI :L ' È R E D E S M I C R O T E C H N O L O G I E S

La microfluidique est aussi appliquée

à l'analyse biomédicale : elle permet de réduire

le volume des prélèvements

sur le patient, la consommation de réactifs, ainsi que le temps et

le coût des analyses.

Laboratoire d'analyses médicales.

Le laboratoire sur puce (“lab-on-chip”)

▼

Laboratoire sur puce.

▼

© STMicroélectronics

© C

EA-L

ETI

Le laboratoire sur puce est uneplaque de verre ou de silicium surlaquelle sont gravés des microca-naux et des microréservoirs danslesquels circulent le sang à analy-ser et les réactifs. On dépose àl'entrée de la puce une goutte duprélèvement à analyser. Des dispo-sitifs électriques créent une pres-

sion qui la pousse à travers lesmicrocanaux jusqu'à un microré-servoir où elle se mélange aux réactifs. Toutes les opérationscomplexes mises en œuvre dans le laboratoire d'analyse médicale(transport, mélange et chauffagedes liquides, lecture des résultats)sont ainsi miniaturisées.

14

100 µm

200 µm

Réseau de microcanaux d'un laboratoire sur puce.

▼

Pour effectuer l'analyse du sangd'une personne selon les méthodestraditionnelles, il faut procéder à denombreuses analyses différentes etprélever sur le patient un ou deuxflacons de sang. L'idée du labora-toire sur puce est de "rétrécir" lelaboratoire d'analyse médicale àune puce de quelques cm2 et de n'utiliser qu'une goutte de sang

pour effectuer ces analyses. Le laboratoire sur puce sera utiliséaussi bien à domicile qu'à l'hôpitalou dans un laboratoire traditionneld’analyses médicales.

À l’heure actuelle cette technologien’a pas remplacé le laboratoire d’analyses médicales, mais sa fai-sabilité a été démontrée.

La molécule d'ADN est formée dedeux brins enroulés en formed'hélice. Sur chacun des deuxbrins se succèdent des bases quiles lient entre eux ; ces bases sontde quatre types, complémentairesdeux à deux : l'adénine (A) ne se lie

qu'avec la thymine (T), la cytosine(C) qu'avec la guanine (G). Ainsi, siun fragment de brin contient laséquence CTAAAGG, la séquencecomplémentaire sur l'autre brinest GATTTCC.

Structure de la molécule d'ADN.Chaque brin de la molécule d'ADN de l'être humain contientenviron trois milliards de bases.L'identité de chaque individu,ses caractères génétiques,sa prédisposition à certaines maladies, sont déterminés par l'ordre dans lequel ces troismilliards de bases se succèdent :cet enchaînement forme le codegénétique, unique à chaque individu.

▼

La biopuce à ADN

À la base de tout être vivant se trouve la molécule d'ADN :

c'est grâce à elle que les cellules se

multiplient, que les organismes se

développent et que les caractères

génétiques des parentsse transmettent

aux enfants.

Cellule

Chromosome

Brins d'ADNcomplémentaires

Adénine Thymine

GuanineCytosine

15

Biopuce à ADN.

▼

La biopuce à ADN a permis d'accé-lérer l'identification des quelque30 000 gènes que contient le codegénétique humain. En effet, un desgrands enjeux de la génétique estd'analyser la succession des basessur la molécule d'ADN et de repé-rer les séquences ayant subi une

mutation génétique qui pourraitprédisposer tel ou tel individu àcertaines maladies ; on pourraitalors appliquer un traitementmédical préventif adapté à chaquecas, avant même l'apparition dessymptômes.

© C

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1 mm

2 AUJOURD’HUI :L ' È R E D E S M I C R O T E C H N O L O G I E S

Les microsystèmes présentés ci-dessus

ont été réalisés avec les techniques

de la micro-électroniquedéveloppées pour

miniaturiser le transistor.

Support

Moléculefluorescente

ADNsonde

ADNdu prélèvement

Support

ADNsonde

Signal de la fluorescence

2 mm

Pas de signal lumineux

Analyse d'un prélèvement d'ADN.Lecture de l'analyse à la lumière

ultraviolette : les microcuvettes porteuses des brins appariés

sont lumineuses et l'image ressemble à un grand domino.

▼

Selon la loi de Moore, exposée plushaut (voir page 7), tous les 18 moisles dimensions des transistors sontdivisées par un facteur 1,3. Cette tendance a jusqu'à présentété constante, mais les problèmestechniques de la miniaturisationdeviennent de plus en plus diffici-les à résoudre et pourraient êtreinsurmontables à l'horizon 2010.Les problèmes ne sont d'ailleurspas seulement techniques maisaussi économiques.

Certes, avec la production demasse, le coût de fabrication dutransistor diminue, mais en mêmetemps, les investissements consi-dérables nécessaires à la mise en place de procédés de fabrica-tion de plus en plus sophistiquésrisquent de devenir prohibitifs.Un changement de technologie est nécessaire pour surmonter ces problèmes. C’est ce que les nanotechnologies peuvent nouspermettre de réaliser.

La biopuce à ADN est une plaquede verre ou de silicium sur laquel-le sont gravées un grand nombrede microcuvettes. Sur chacuned'entre elles, on accroche uneséquence de bases d'ADN qui jouele rôle de sonde et qui est caracté-ristique d’un gène, d’une mutationou d'une maladie. On prélève alorsde l'ADN sur le patient et on leverse dans les microcuvettes.L'ADN-sonde se liera avec l'ADNdu prélèvement si et seulement si les séquences sont complémen-taires. On lave ensuite la biopuce.Pour permettre la lecture durésultat, on a préalablementaccroché à l'extrémité de l'ADN du prélèvement une moléculefluorescente. Ainsi, dans lesmicrocuvettes où il y a eu apparie-

ment, l'ADN du prélèvement estresté accroché à l'ADN-sonde etest visible à la lumière ultraviolettegrâce à la molécule fluorescente.Dans les microcuvettes où il n'y a pas eu d'appariement, l'ADNdu prélèvement a été enlevé par le lavage et il n'y a pas de signallumineux.

Les problèmesde la miniaturisation

Comme chaque microcuvette contient un fragment d'ADN-sonde différent, une biopuce contenant 50 x 50 = 2 500 microcuvettes permeten une seule lecture d'obtenir le résultat de 2 500 analyses différentes.

16

Le coût de l’investissement de l’usine Crolles 2 (Isère)est de 2,5 milliards d’euros.

▼

Certains microcomposants etmicrosystèmes voient progressi-vement leurs dimensions dimi-nuer et se rapprocher de l'échelledu nanomètre suivant la voie des-cendante ("top-down"), devenantainsi des nanocomposants et desnanosystèmes.En même temps, les scientifiquesréfléchissent à la mise au pointde nouvelles méthodes d'assem-blage atome par atome, moléculepar molécule, qui ouvrent la voieà la démarche ascendante ("bot-tom-up") : ces méthodes, inspi-rées du monde de la chimie et dela biologie, consistent à construi-re des nanosystèmes à partir deséléments de base que sont lesatomes, de la même façon quel'on construit une maison briquepar brique.De nombreux défis scientifiques ettechnologiques nous attendent : ilfaut inventer les instruments d’ob-servation et de fabrication adap-

tés, mais aussi comprendre com-ment fonctionnent des systèmesaussi petits. En effet, les lois de laphysique classique ne permettentplus d’expliquer leur comporte-ment et l'on devra faire appel auxlois de la mécanique quantique.La mécanique quantique préditdes comportements inhabituels etdifficiles à accepter par notreintuition immédiate comme, parexemple, l'effet tunnel. D'après leslois de la mécanique classique, unballon de football ne peut pas pas-ser par-dessus une colline si on nelui donne pas une énergie initialesuffisante : le ballon montera jus-qu'à une certaine hauteur puisredescendra en rebroussant che-min. La mécanique quantique, enrevanche, permet de montrerqu'un électron peut franchir la col-line même si son énergie initialeest insuffisante : il peut passer del'autre côté de la colline commes'il avait trouvé un tunnel.

Les nanosystèmes cohabitent désormais,

et probablement pour longtemps,

avec les microsystèmes.

3D E M A I N : L E S MICRO-

En physique quantique,l'électron, arrivé au point B,peut par effet tunnel atteindre le point Csitué de l'autre côté de la colline.

En physique classique,le ballon lâché depuis le point Ane peut pas monter plus haut que le point B (lois de la dynamique).

HIS

TOR

IQU

ELa mécanique quantiqueest le fruit des travaux de quelques physicienscélèbres du début du XXe

siècle. Pour expliquerl'interaction entre lalumière et les atomes,Max Planck introduit en 1900 une hypothèseaudacieuse : la quantitéd'énergie échangée nepeut être qu'un multipled'une quantité élémen-taire : le quantum d'énergie. En 1905, pour expliquer l'effetphoto-électrique, Albert Einstein établitque la lumière est composée de particulesélémentaires appelées photons. En 1913, Niels Bohrapplique l'idée des quanta d'énergie pourexpliquer la structure de l'atome. En 1923, Louis de Broglieémet l'hypothèse que les électrons et toutesles autres particules se comportent commedes ondes. Enfin, en 1926, WernerHeisenberg, ErwinSchrödinger et Paul-Adrien-MauriceDirac établissent lesbases mathématiques de la mécanique quantique,permettant ainsi la compréhension de tous ces phénomènes.

17

L’effet tunnel. ▼E T NANOTECHNOLOGIES

Déplacements

Cou

rant

d'él

ectr

ons

Échantillon-

+

PointeCourant

d'électrons

3 DEMAINL E S M I C R O - E T N A N O T E C H N O L O G I E S

Cet instrument révolutionnaire,initialement conçu pour observer lasurface des matériaux, est mainte-nant aussi utilisé pour déplacer des atomes un par un, comme une"pince à atomes". À l'aide de la pointe, on peut "attra-per" un atome, le déplacer sur lasurface et le déposer à l'endroitvoulu. On est ainsi parvenu à dispo-ser des atomes de fer en cercle surune surface de cuivre, prouessetechnologique remarquable.

Quels sont les outils actuelsdes nanotechnologies ?Le microscope à effet tunnel

© L

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ark

STM

, Pur

due

Unive

rsity

, USA

© IB

M

Image dite du "corral quantique"

48 atomes de fer ont été disposés en cercle sur une surface de cuivre.

▼

Le microscope à effet tunnel.

▼

Image obtenue d’une surface de graphite.

▼

L'image du "corral quantique",obtenue grâce au microscopeà effet tunnel, montre que les électrons se comportentcomme des ondes : ils for-ment un nuage concen-trique qui ondule commela surface de l'eau danslaquelle on a jeté uncaillou. C'est une desplus remarquablesvisualisations directesdes lois de la méca-nique quantique.5 nm

Ce fut le premier instrument misau point pour examiner le nano-monde. Il a été inventé par GerdBinnig et Heinrich Rohrer (labora-toire IBM Zurich, Suisse), inventionqui leur a valu le prix Nobel dephysique en 1986. Il comporte unepointe métallique extrêmementfine qui survole la surface dumatériau examiné à quelquesnanomètres de distance. En même

temps, on applique entre la pointeet la surface une tension élec-trique, ce qui crée un courant d'é-lectrons appelé courant "tunnel".Après avoir balayé toute la surfacedu matériau et enregistré lesvariations de ce courant, onreconstitue par ordinateur le reliefde la surface survolée avec uneprécision de l'ordre de l'atome,c'est-à-dire 0,1 nm.

1 nm

18

Alors que le microscope à effet tunnel permet d'observer la surfacedes matériaux conducteurs, lemicroscope à force atomique per-met d'observer la surface desmatériaux isolants tels que lespolymères, les céramiques et lesmatériaux biologiques. Sa pointe,fixée sur un bras de levier flexible,balaye et frotte la surface du

matériau à observer en suivant le relief. La déformation du levier, qui est éclairé avec un laser, estmesurée par un photodétecteur et enregistrée à l'ordinateur. Cetinstrument est très utilisé dans lesindustries où le contrôle fin de l’état de surface est primordial,comme par exemple celles de la micro-électronique.

Image d'une membrane avec des pores

de 20 nm de diamètre. La modélisationet la simulation numérique

© C

NRS

IRC

Soffr

ay

© University of Cambridge

▼

Microscope à force atomique.

▼

Image d'ADN obtenue au microscope à force atomique.

▼

En haut,image d'un film d'or obtenue au microscope électronique ;

▼

En bas,simulation numérique de la structure atomique d'un film d'or.

▼

Le microscope à force atomique

Pour déterminer la structure et les propriétés des objets nanométriques,on utilise de plus en plus la simulation numérique. En raison de la com-plexité des calculs et pour être plus fiable et plus précis, la simulationnumérique nécessite des ordinateurs de plus en plus puissants.

19

20

Les techniques de fabrication

développées avec le microscope à effet

tunnel et avec le microscope à force

atomique sont destechniques de labora-

toire que l’on peutqualifier d’artisanales.

Elles ne permettrontpas une production

industrielle de nanosystèmes

complexes : déplacerles atomes un

par un avec la "pince à atomes" demande-

rait beaucoup trop de temps.

3 DEMAINL E S M I C R O - E T N A N O T E C H N O L O G I E S

Comment fabriquer des objets nanométriques ?Une solution pour fabriquer indus-triellement des nanocomposantsest d'appliquer les techniques "top-down" de la photolithographie déjàbien connues de l'industrie micro-électronique. Ces techniques, quiutilisent la lumière visible, permet-tent de graver sur les puces desmotifs de 100 nm. En remplaçant lalumière visible par des rayonne-ments de longueur d'onde pluscourte comme les ultraviolets oules rayons X, on parviendrait à gra-ver des motifs encore plus petits del'ordre de 10 à 20 nm.

Peu à peu émergent d'autres solu-tions, qui suivent la voie ascendante("bottom-up") et exploitent à la foisles avancées de la physique, de lachimie et de la biologie pour fabri-quer simultanément et en grandnombre des objets nanométriques. En effet, une méthode prometteuseinspirée de la physique des surfacesest l'auto-organisation, qu'illustrele processus de formation de la buéesur les vitres : la vapeur d'eau secondense de façon uniforme sur lasurface de la vitre en formant unemultitude de microgouttes régulières.

La chimie apporte elle aussi denouvelles solutions, notamment lachimie des catalyseurs qui, depuisdéjà plusieurs décennies, utilisedans la fabrication industrielle desengrais et dans le raffinage dupétrole certaines technologiesnanométriques.Parallèlement, les avancées tech-nologiques de la biologie, notam-ment la compréhension des pro-cessus de la réplication de l'ADN etde la synthèse des protéines, ontdonné lieu au développement d'unarsenal de techniques qu'on pour-rait transposer pour fabriquer desnanocomposants.

Les exemples les plus réussis denanosystèmes bâtis selon la voieascendante sont ceux réalisés par la nature (bactéries, cellules, organismes vivants).C'est un grand défi que de l'imiter.Différentes disciplines (physique,chimie, mécanique, science desmatériaux, biologie, sciences médicales, informatique) sont ainsi appelées à coopérer pourcomprendre les phénomènes com-plètement nouveaux que l'ondécouvrira à l'échelle du nanomètre,pour fabriquer les nanocompo-sants et donner naissance auxnanosciences.

▼

Solution

Substrat

Moléculesen solution

Systèmeauto-organisé

Les scientifiquescherchent donc à développer de nouvelles techniques qui permettentune fabricationindustrielle desnanocomposants.Néanmoins certains nano-objets ont déjà vu le jour, ils sontdécrits dans lespages suivantes.

L’auto-organisation :les molécules ayant une terminaison spécifique(en jaune) s’attachent au substrat et s’ordonnent.

C'est un feuillet de graphite forméd'atomes de carbone disposés en réseau hexagonal, comme unnid d'abeilles, et enroulé sur lui-même comme un cigare. Son dia-mètre est de l'ordre du nanomètre,sa longueur peut atteindre plu-sieurs micromètres. À chacune deses deux extrémités se trouve unedemi-molécule de fullerène. La molécule de fullerène (symbolechimique C60) a été découverte en 1985, par Harold Kroto (Sussex

University, Grande Bretagne),Richard Smalley et Robert Curl(Rice University, Etats-Unis),découverte qui leur a valu le prixNobel de chimie en 1996.

Cette molécule est constituée de60 atomes de carbone, son diamè-tre est d'environ un nanomètre etelle est formée d'hexagones et depentagones qui lui donnent uneforme presque sphérique, sem-blable à un ballon de football.

Le nanotube de carbone est une structure

artificielle qui a étémise en évidence

en 1991 par Sumio Iijima

(laboratoires NEC,Japon). © Chris Ewels, www.ewels.info

Structure d'un nanotube.

▼

Molécule de fullerène.

▼

© N

ano@

CERC

A

Le nanotube est une structure à la fois solide,légère et souple.

21

© C

hris

Ewels

, www

.ewels

.info

Les nanotubes de carbone

Par sa structure trèssimple et très stable, le nanotube a des pro-priétés mécaniques et

électriques surprenan-tes qui promettent des

applications nombreuseset une industrialisation dans

un avenir proche :

• le nanotube est 100 fois plusrésistant et 6 fois plus léger quel’acier. Il peut donc être utilisépour fabriquer des matériauxcomposites de haute performanceet il est déjà employé pour renfor-cer certains clubs de golf etraquettes de tennis, remplaçantpeu à peu les traditionnelles“fibres de carbone”.

• une "poudre" de nanotubes envrac a une très grande surface decontact avec l'air (plusieurs cen-taines de mètres carrés par gram-me). Cette propriété estimportante pour les pro-cessus tels que la catalysechimique, le stockage degaz et le filtrage de pol-luants. On envisage de l'u-tiliser en particulier pourle stockage de l’hydrogèneet la fabrication des bat-teries des voitures élec-triques.

• en fonction de l'angle d'en-roulement du feuillet de gra-phite, le nanotube est soit unexcellent conducteur d'électri-cité, soit un semiconducteur.Les nanotubes conducteurspourront être utilisés dans lafabrication des nanofils électriques,qui pourront notamment servir denano-électrodes dans les écrans plats detélévision et d'ordinateur. Quant au nanotubesemiconducteur, il pourra être raccordé à un nanotube conducteur et cet assemblage sera utilisé comme élément de base (jonction métal-semiconducteur) pour fabriquer des composants électroniquesnanométriques.

3 DEMAINL E S M I C R O - E T N A N O T E C H N O L O G I E S

Jonction métal semiconducteur formée par deux nanotubes raccordés.

▼

© C

EA

© C

EA

© C

hris

Ewels

, www

.ewels

.info

Dans chaque pixel d'écran plat, on dépose en vrac des nanotubes

conducteurs.Ceux qui sont orientés

perpendiculairement à la surface de l'écran

servent de nano-électrode.

▼ 5 µm

22

Certains matériauxémettent de la lumière

visible quand ils sont éclairés en ultra-

violet, phénomène appelé fluorescence. Les matériaux dotés

de cette propriétépeuvent être utilisés

pour le marquagemoléculaire,

c'est-à-dire pour jouer le rôle de

sonde fluorescente et suivre à la trace

les réactions chimiquesou les processus

biologiques dans les cellules vivantes.

Solutions contenant des nanocristaux fluorescents classés par ordre de taille croissante, éclairés.En haut,par de la lumière visible ;

En bas,par un rayonnement ultraviolet.

▼

À gauche,photographie d'un circuit électronique réalisé par deux nanotubes connectés sur une surface ;

À droite,simulation de transistorformé de nanotubes.

▼

Structure d'un nanocristal fluorescent : les dimensions du grain déterminent la couleur dela lumière émise, la coque amplifiecette couleur et le ligand permet de fixer le marqueur fluorescent sur la cible.

▼

© C

EA-D

RFM

C

Coque

Ligands Grain(5 nm)

Grain(3 nm)

Le séléniure de cadmium (CdSe)est un matériau fluorescent. S’il estpréparé sous forme de grainsnanométriques (nanocristaux), deseffets quantiques apparaissent enraison des faibles dimensions desgrains. Éclairés en ultraviolet, lesnanocristaux émettent une lumière

dont la couleur change en fonctionde leurs dimensions. Par exemple,cette couleur est respectivementbleue, verte et rouge pour destailles de grain de 2 nm, 3 nm et 5 nm. On peut ainsi pratiquementfabriquer toute la palette des couleurs.

Les nanocristaux fluorescents©

A. R

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fort,

Nan

o@Po

lyMTL

Les nanotubes sont fabriqués suivant plusieurs méthodes : par arc élec-trique, par vaporisation d'une cible de carbone au moyen d'un laser ou enfaisant circuler du méthane sur un catalyseur situé dans un four. La diffi-culté est de contrôler leurs dimensions et leur enroulement.

© L

EM C

EA-M

otor

ola

Éclairage lumière visibleØ 2 nm Ø 7 nm

Éclairage lumière ultraviolette

150 nm

23

Les revêtements nanomodifiés

La "poussière électro-nique communicante"

est constituée d'un très grand nombre de micropuces de

silicium miniaturiséesà l'extrême qui serontpulvérisées dans l'air

ou incorporées dans les matériaux

(peintures, textiles).

La surface de la feuille de lotus estrecouverte par des nanocristauxde cire qui forment un réseau deminuscules piliers semblable àune planche cloutée.Les gouttes d’eau ne peuvent pasmouiller cette surface et restentsphériques sans s'étaler car ellessont soutenues par les piliers.

De même, les grains de poussièren'adhèrent pas et sont emportés à la première pluie. D’autres feuilles, notamment cellesdu chou, du roseau et de la tulipe,ont aussi cette propriété remar-quable, ainsi que les ailes dupapillon et de la libellule.

Fabriquer par biomimétisme, c'est-à-dire en imitant la nature, de tellessurfaces artificielles à l'aide de nanomatériaux est un enjeu industrielconsidérable car les applications seront nombreuses : vitres antisalissurepour fenêtres et automobiles, peintures faciles à lessiver, tuiles autonet-toyantes, revêtements antibactériens pour la cuisine et les sanitaires.

Leur rôle sera de mesurer des données très diverses concer-nant leur environnement. Équipées de capteurs, de micro-processeurs, d'émetteurs et de sources d'énergie, elles for-meront un réseau communicant capable de recevoir, traiteret transmettre des données. Les applications seront nom-breuses tant dans le domaine de la défense (détection de substances chimiques et bactériologiques sur unchamp de bataille, détection des mouvements del'ennemi) que dans le domaine civil (surveillancede la qualité de l'air, traçabilité des produits ali-mentaires, surveillance médicale des patients,détection de la fatigue des matériaux.)

Effet feuille lotus.En haut,la goutte d'eau mouille la surface et les impuretésadhèrent ;

En bas,la goutte d'eau ne mouille pas la surface autonettoyante et emporte les impuretés.

▼

3 DEMAINL E S M I C R O - E T N A N O T E C H N O L O G I E S

Les surfaces autonettoyantes.Vitres antisalissure

pour les fenêtres des bâtiments.

▼

© G

oods

hoot

Les scientifiquesdéveloppent actuellement

des revêtements nanomodifiés inspirés

du monde végétal, en particulier

du comportement des feuilles de lotus qui ne se mouillent

pas et qui restent propres même dans un

environnement boueux.

Goutted'eau

Poussière

Surface normale

Surface antisalissure

Signal reçu

Signal émis

Laser

Récepteur

Capteurs

Emetteur

Accumulateur

Cellule photoélectrique

Système de contrôle,microprocesseur

Lentille Miroir

La poussière électroniquecommunicante ("smart dust")

Micropuce “Smart dust”.▼

24

Les prothèses actuelles de hanche et de genou sont en métal et en poly-éthylène et ont une durée moyenne de vie de 10 ans. Le remplacementdu métal par de la céramique renforcée par des nanoparticules pourraaugmenter cette durée à 30 ans. En outre, les prothèses recouvertes de nanoparticules auront unemeilleure biocompatibilité : elles se fixeront plus solidement au tissuosseux et le patient les supportera plus aisément.

Prothèse de fémur.

Les nanotechnologiesvont permettre

d'améliorer la qualitédes prothèses et desimplants médicaux.

L'endoprothèse coronaire ("stent"en anglais) est implantée chez lespatients dont les artères sont obs-truées par des dépôts de graisse oudes caillots de sang : c'est unegaine métallique qui écarte lesparois de l'artère et rétablit ainsiune circulation sanguine normale.Cependant, il arrive que des caillots

se forment sur l'endoprothèse,créant de nouvelles obstructions àla circulation du sang. Une solu-tion, en cours de développement,est de recouvrir l'endoprothèse parune couche nanoporeuse surlaquelle les caillots ne pourront pasadhérer.

Endoprothèse coronaire avec revêtement nanoporeux.

Les implants et les prothèses biocompatibles

▼▼

© P

rimal

Cry

100 n

m

Artère

Dépôts de graisse

Endoprothèse coronaire

200 µm

3 µm

Circulationsanguinebloquée

Circulationsanguinerétablie

© D

ebio

tech

SA, L

ausa

nnne

, Sui

sse

25

4

26

L'émergence des nanotechnologies

et des nanosciencesnous laisse entrevoir

une révolution : la conception de matériaux

à l'échelle atomiqueet moléculaire. Dès lors, il sera

possible d'élaborertoutes sortes de nouveaux

matériaux. Voici quelques

applications futuristes.

Transistorà un électron.

Le transistor à un seul électron estl'un d'eux. Entre la source et ledrain du transistor, on ajoute une"île" en matériau semiconducteuroù seul un nombre déterminé d'électrons N peut s'accumuler.Quand on applique une tensionélectrique entre la source et ledrain, l'"île" se remplit d'élec-trons. Un fois atteint le nombred’électrons N, le courant élec-trique ne passe plus : ce phéno-

mène s'appelle blocage deCoulomb. Si l'on applique une certaine tension électrique sur lagrille, un nouvel électron pourraentrer dans l'"île" et un autre ensortira vers le drain.

Ainsi, en modifiant la tension de la grille, on peut laisser entrer oubloquer les électrons un par un :c'est de l'électronique à un seulélectron.

E T APRÈS ? ▼

Le transistor à un électronCertains des phénomènes nouveaux qui apparaissent à l'échelle dunanomètre pourraient être exploités dans la conception de nouveauxcomposants électroniques.

Substrat

DrainSource

Grille

Ile de Coulomb

Isolant

- +

Électrons

Drain

GrilleIsolant

Courantd'électrons

- +

Substrat

Source

+

L’île est remplie d’électrons ;aucun électron ne peut plus passer dans l’île en raison du blocage de Coulomb.

On applique une tension électrique déterminée sur la grille ; un électron supplémentaire peut alors passer dans l’île.Il s’établit alors dans le transistor un courant dontl’intensité dépend du nombre d’électrons présents dans l’île.

L'électronique d'aujourd'hui estfondée sur la propriété de l'électron,chargé électriquement, d'interagiravec les champs électriques.Mais l'électron a aussi une autrepropriété intéressante : il peut,comme une minuscule boussole

(aiguille aimantée), interagir avecdes champs magnétiques grâce àson spin. Le spin est une sorte de mouve-ment de rotation de l'électronautour de son axe, analogue à larotation d'une toupie.

C'est cette propriété que la spintro-nique vise à exploiter. On pourrait,par exemple, construire un transis-tor spintronique. Il sera constitué,comme le transistor classique (voir page 4), de trois électrodes :source, drain et grille.La source envoie dans le canal lesélectrons, qui arrivent sur le drain.Un courant électrique s'établit, letransistor conduit.

Si l'on applique une tension déter-minée sur la grille, un champ élec-trique apparaît dans le canal etentraîne un changement de 180degrés de l'orientation du spin desélectrons. Cela empêche leur pas-sage dans le drain, le transistor est bloqué.Le transistor spintronique pourraitêtre plus rapide que le transistorclassique et consommerait moinsd'énergie.

Transistorspintronique.

27

L’électronique de spin

▼

Source

Aim

anta

tion

Aim

anta

tion

Grille

Canal

Drain

-

+

Déplacement d'électrons

Courantd'électrons

Le drain laissepasser les électrons

Source

Aim

anta

tion

Aim

anta

tion

Canal

Le passagedes électrons

est bloqué par le drain

Drain

-

+

+GrilleChampélectrique

L'utilisation du spinde l'électron promet

la naissance d'une nouvelle électronique :

la spintronique.

Transistor bloqué (interrupteur ouvert)

Transistor conducteur (interrupteur fermé)

Image des nanograins de cuivre.

▼

4 E T APRÈS ?

Un des grands défis de l'électro-nique est de remplacer le transistorclassique par une molécule chi-mique ou biologique fonctionnantcomme un interrupteur de courantélectrique. La taille du transistorpourrait être divisée par mille, cequi permettrait de fabriquer desordinateurs beaucoup plus petits,plus rapides, moins chers etconsommant beaucoup moins d'électricité. Un candidat possibleest un composé de benzènethiol.Lorsque l’on applique une tensionélectrique déterminée, la moléculegagne un électron, se tord et laissepasser le courant.

L’électronique moléculaire

Les nanomatériauxLes alliages métalliques que l'onutilise actuellement dans lesmatériaux de construction sont engénéral composés de grains dedimensions micrométriques. Endiminuant la taille de ces grains àune centaine de nanomètres, onobtient des matériaux qui sontplus légers et qui ont de meilleu-res propriétés mécaniques. Lesnanograins sont plus résistantscar ils n'ont pas les défauts pré-sents dans les grains des maté-riaux traditionnels ; le cuivrenanocristallin est ainsi trois foisplus résistant que le cuivre clas-sique. Ils sont en outre plus mallé-ables : en effet, quand on déformele métal, les nanograins glissentplus facilement les uns par rapportaux autres. Les matières plas-tiques, à base de polymères,deviennent elles aussi plus résis-tantes et cessent d'être inflamma-bles quand on leur incorpore desnanoparticules.Ces propriétés de résistance méca-nique des nanomatériaux pourrontêtre exploitées dans des secteursaussi divers que les matériaux de

construction pour lebâtiment, les appa-reils électroménagerset les appareils médi-caux. Les moyens detransports terrestres,maritimes, aériens et spatiaux fabriquésavec des nanomaté-riaux seront pluslégers, emporterontplus de charge utile,consommeront moinsd'énergie et seront donc moins polluants pour l'environnement.

En outre, les nanoparticules ontune autre propriété intéressante dufait de leurs petites dimensions : unexcellent rapport surface / volume.Il permettra d'augmenter l'efficacitédes catalyseurs, utilisés notam-ment dans le raffinage du pétrole etdans l'industrie des engrais, maisaussi de l'absorption des polluants(au moyen des filtres antipollutionet des pots catalytiques des véhicu-les) et du stockage de l'hydrogène(carburant de la pile à combustibledes voitures électriques).

Les nanotechnologiespermettent

la conception de nouveaux

matériaux.

200 nm

28

Composé de benzènethiol▼

Électron

Courant d'électrons0 (Oxygèn

S (SoufreN (Azote)

H (Hydro

Électron

0 (Oxygène)

S (Soufre)

N (Azote)

H (Hydrogène)

29

Les implants biocompatibles

Les capteurs chimiqueset biologiques

Les méthodes traditionnelles pour

déterminer la présenceou la concentration

d'une substance chimique ou d’un

agent bactériologiquesont relativement

lourdes, lentes et coûteuses.

Les nanotechnologiespourraient remédier à ces inconvénients.

On pourrait développer un capteurbasé sur le principe de l'interrup-teur à canal ionique. À l'état nor-mal, les ions passent à travers des canaux nanométriques, créantainsi un courant électrique. Quandla molécule à détecter arrive sur lecapteur, elle se fixe sur un récep-teur spécifique qui bloque alors lecanal ionique, supprimant ainsi lecourant électrique. C'est en mesu-rant cette diminution du courantque l'on détectera la présence de lamolécule. Ce capteur serait si sen-sible qu'il détecterait un morceaude sucre jeté dans un lac.

Un moyen de traiter le diabèteconsisterait à remplacer chez lepatient les cellules du pancréasqui sécrètent l'insuline et qui sontdéfaillantes, par des cellules d'undonneur qu'on grefferait sous lapeau du patient diabétique. Le problème de la greffe est qu'elleest fréquemment rejetée par lesystème immunitaire du patient.Grâce aux nanotechnologies, onpourrait encapsuler les cellulesgreffées dans une membranesemi-perméable. Les nanoporesde cette membrane laisseraiententrer le sucre et les substancesnutritives nécessaires aux cellulesgreffées et laisseraient sortir l'in-suline sécrétée par les cellulesgreffées. En revanche, les anti-corps, plus gros que les nanopo-res, ne pourraient pas entrer et lescellules greffées seraient ainsipréservées contre l'attaque dusystème immunitaire.

Principe de l’interrupteur à canal ionique.

Canalioniqueouvert

Récepteur

Membrane

Réservoird'ions

Supporten or

Canalioniquefermé

Moléculeà détecter

Déplacement

▼

Membrane nanoporeuse utilisée pour encapsuler des cellules greffées.

▼

Ce capteur aura, en chimie et en biologie, des applications aussi diversesque la détection de la pollution, la surveillance de la qualité de l'eau etdes produits alimentaires, l'analyse médicale, le dépistage des épidé-mies et la lutte contre les attaques chimiques et bactériologiques.

Le canal ionique est ouvert.

L’arrivée de la moléculeà détecter interrompt le canal ionique.

Insuline

Membranenanoporeuse

Cellulesgreffées

Nutriments, sucre

Anticorps Immunocytes

30

4 E T APRÈS ?

Les médicaments classiques sontdiffusés par le sang à travers tout lecorps humain et n'atteignent pastoujours facilement leur cible. Une solution serait de les encapsu-ler dans une membrane nanopo-reuse qui empêcherait leur dilutiondans le sang pendant leurtransport jusqu'à ce qu'ils attei-gnent le site spécifiquement ciblé.Ce n'est qu'au moment où la mem-brane reconnaîtrait ce site qu'ellelibérerait son contenu. On cibleraitainsi précisément l'endroit où lemédicament doit agir.

Une autre application médicale desnanotechnologies, dans le traite-ment des tumeurs, consisterait àinjecter dans le sang du patient desanticorps spécifiques à la tumeurconsidérée auxquels auraient préalablement été fixées des nano-billes. Les anticorps reconnaî-traient la tumeur et se fixeraientdessus. On les chaufferait alorsavec un rayonnement capté par les nanobilles, ce qui provoqueraitla destruction de la tumeur.

Les vecteurs de médicaments

© P

rimal

Cry

Les nanotechnologiespourraient accroître

l'efficacité des médicaments.

Anticorps

Nanobille

Rayonnement

Celluletumorale

Traitement de certaines tumeurs.

▼

31

laborer de nouveaux matériaux et des composants tou-jours plus petits, construire atome par atome de nouvel-les molécules et les assembler pour réaliser de nouvelles

fonctions, exploiter les nouveaux phénomènes qui apparaissentà l’échelle du nanomonde, tels sont les défis à relever dans les années à venir.

Ces défis demanderont de considérable efforts de recherche fondamentale et appliquée. Différentes disciplines sont appe-lées à coopérer pour comprendre ces nouveaux phénomènes et développer les nanosciences.

L’impact des nanotechnologies sur l’économie est très promet-teur, car les applications industrielles seront nombreuses etconcerneront les domaines les plus variés, de l’électronique à lamédecine en passant par l’aéronautique, la défense, l’environ-nement et les matériaux de construction. Mais, comme danstoute nouvelle discipline, un certain temps sera nécessaire pourvoir l’arrivée massive de produits industriels sur le marché.

Enfin, les nanotechnologies soulèvent aussi des questions d’éthique. La perspective de manipuler la matière à l’échellemoléculaire et d’interférer avec le monde du vivant suscite nonseulement de grands espoirs mais aussi des inquiétudes.Ces questions d’éthique, déjà à l’étude, devront être prises enconsidération le moment voulu par les pouvoirs publics avectous les acteurs et utilisateurs concernés.

Nous voilà à la fin de ce voyage au pays des nanosciences et des nanotechnologies. Vous en savez maintenant plus sur les promesses du nanomonde !

5 CONCLUSION

É

Cette plaquette a été réalisée par le Ministère délégué à la Recherche avec le soutien du Réseau de recherche en Micro- et Nanotechnologies (RMNT) et du Programme NationalNanosciences à l'occasion de l'Année Mondiale de la Physique - 2005.

Rédaction :Ilarion Pavel (Direction de la Technologie).

avec la collaboration de :Alain Brun (Direction de la Technologie),Alexandre Moatti,Jean-Louis Pautrat (CEA-LETI),Jean-Louis Robert (Direction de la Recherche).

Remerciements à :Claire Bonnélie,René Roussille (CEA-LETI).

Remerciements pour les crédits photographiques :Bernard Baylac (STMicroelectronics), Christophe Bureau (Alchimer, France), Raul Arenal de la Concha (Onera), Joël Bleuse (CEA-DRFMC), Sylvie Contreras (Université de Montpellier), Yannick Champion (CNRS),Frédéric Chandezon (CEA-DRFMC), Marlène Choukroun (INRETS), Raymond Campagnolo (CEA-LETI), Gilles Delapierre (CEA-LETI), Thierry Deutsch (CEA-DRFMC), Jean Dijon (CEA-LETI), Claire Divoux (CEA-LETI), Chris Ewels (www.ewels.info), Pascal Gentile (CEA-DRFMC), Jean-Charles Guibert (CEA-LETI), Alan How (Debiotech SA, Lausanne, Suisse), Norbert Hubin (ESO), Anita Krause (Biotronik, Allemagne), Didier Maillefer (Debiotech), Emmanuel Masmejean (AP-HP, Hôpital Georges Pompidou), Rafael Martinez (Primal Cry, Montpellier), Noël Magnea (CEA-DRFMC), Gérard Matheron (Medea+), Hervé Mingam (STMicroelectronics), Daniel Michon (Artechnique, Grenoble), Pierre Puget (CEA-LETI), Peter Reiss (CEA-DRFMC), Stéphane Renard (Tronic's Microsystems), Alain Rochefort (Nano@PolyMTL, École Polytechnique de Montréal), Austin Roorda and David Williams (University of Rochester), Marc Sanquer (CEA-DRFMC), Dominique Vuillaume (IEMN); Biomérieux, Goodshoot, IBM, Motorola, Purdue University, University of Cambridge.

Création, réalisation :ILSO GrenobleIllustrations :Bruno Fouquet (ILSO Grenoble)

Impression :Imprimerie des Deux Ponts - 38 Bresson

DU NANOMONDEÀ L A D É C O U V E R T E

Ministère délégué à la Recherche 1, rue Descartes75231 Paris cedex 05www.recherche.gouv.fr

DU NANOMONDEÀ L A D É C O U V E R T E

Pour en savoir plus sur les nanosciences et les nanotechnologies :

www.nanomicro.recherche.gouv.frwww.rmnt.org

2 è m e É D I T I O N 2 0 0 5