Nanotechnologie
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2008-07-18T18:08:57Z
Sherbrooke
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Raccourcir.
[[Image:Kohlenstoffnanoroehre Animation.gif|thumb|350px|Animation représentant un nanotube de carbone.]]
Les '''nanosciences''' et '''nanotechnologies''' (NST) peuvent être définies ''a minima'' comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes matériels à l'échelle du [[nanomètre]] (nm). Dans ce contexte, les '''nanosciences''' sont l’étude des phénomènes et de la manipulation de la matière aux échelles atomique, moléculaire et macromoléculaire, où les propriétés (physico-chimiques) diffèrent sensiblement de celles qui prévalent à une plus grande échelle. Les '''nanotechnologies''', quant à elles, concernent la conception, la caractérisation, la production et l’application de structures, dispositifs et systèmes par le contrôle de la forme et de la taille à une échelle [[nanomètre|nanométrique]]<ref>{{ Lien web |url=http://www.nanotec.org.uk/finalReport.htm |titre=Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties |auteur=The Royal Society & The Royal Academy of Engineering |page=p5 |date=2004}}</ref>. Malgré la relative simplicité et la précision de ces définitions, les NST présentent plusieurs acceptions liées à la nature transversale de cette jeune discipline. En effet, elles utilisent, tout en permettant de nouvelles possibilités, des disciplines telles que l'[[optique]], la [[biologie]], la [[mécanique]], la [[chimie]], ou encore la [[microtechnologie]]. Ainsi, comme le reconnaît le portail français officiel des NST, « les scientifiques ne sont pas unanimes quant à la définition de nanoscience et de nanotechnologie »<ref>{{Lien web |url=http://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/fr/menu_vulgarisation.shtml |titre= Nanoscience-nanotechnologie |auteur=CEA |éditeur=Ministère de la
Recherche |consulté le=15 mai 2007}}</ref>.
== Historique ==
=== La vision de Feynman ===
Dans son discours donné le 29 décembre 1959 à la Société Américaine de Physique, [[Richard Feynman]] ouvre la voie à un domaine de recherche alors inexploré: l'infiniment petit. Feynman envisage un aspect de la physique "dans lequel peu de choses ont été faites, et dans lequel beaucoup reste à faire"<ref>[http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html ...a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be done...]</ref>.
Se basant sur la taille minuscule des atomes, il considère comme faisable d'écrire de grandes quantités d'informations sur de très petites surfaces: "Pourquoi ne pourrions-nous pas écrire l'intégralité de l'[[Encyclopædia Britannica]] sur une tête d'épingle?"<ref>[http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?]</ref> ... une affirmation qui fit sensation à l'époque mais qui aujourd'hui, au vu des progrès en microtechnologies, nous semble parfaitement réalisable. Feynman veut aller au-delà des systèmes macroscopiques dans lesquels nous vivons : il imagine un monde où les atomes seraient manipulés un à un et agencés en structures cohérentes de très petite taille.
Visionnaire, il imagine les moyens à mettre en œuvre pour visualiser et manipuler les atomes, de l'amélioration de l'imagerie microscopique à l'utilisation des systèmes biologiques pour la production de nanomachines.
=== Le microscope à effet tunnel ===
Comme souvent en science, le développement des NST s’appuie sur l’invention de deux instruments permettant d’observer et d’interagir avec la matière à une échelle atomique ou subatomique. Le premier est le [[microscope à effet tunnel]] (STM pour Scanning Tunneling Microscope) qui a été inventé en 1981 par deux chercheurs d'IBM, et qui permet de parcourir des surfaces conductrices ou semi-conductrices en utilisant un phénomène [[mécanique quantique|quantique]], l'[[effet tunnel]], pour déterminer la morphologie et la [[densité d'états électroniques]] des surfaces qu’il explore. Le second est le [[microscope à force atomique]] (AFM pour Atomic Force Microscope) qui est un dérivé du STM, et qui mesure les forces d'interactions entre la pointe du microscope et la surface explorée. Cet outil permet donc, contrairement au STM, de visualiser les matériaux non-conducteurs. Ces instruments combinés avec la [[lithographie]] permettent d'observer, de manipuler et de créer des nanostructures.
=== Fullerènes et nanotubes ===
En 1985, trois chercheurs, [[Richard Smalley]], Robert F. Curl (de la Rice University de Houston) et Harold W. Kroto (University of Sussex) découvraient une nouvelle forme allotropique du carbone, la molécule C{{ind|60}} constituée de 60 atomes de carbone répartis sur les sommets d’un polyèdre régulier formé de facettes hexagonales et pentagonales. Chaque atome de carbone a une liaison avec trois autres. Cette forme est connue sous le nom de Buckminsterfullerene ou Buckyball et doit son nom à l’architecte et inventeur américain Richard Buckminster Fuller qui a créé plusieurs dômes géodésiques dont la forme est analogue au C{{ind|60}}<ref>{{cite journal |last = Waldner |first = Jean-Baptiste |authorlink = Jean-Baptiste Waldner |title = Nanocomputers & Swarm Intelligence [http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Special:Booksources&isbn=9781847040022] |publisher = [[ISTE]] |place = London |date = 2007 | pages = p90 |isbn = 9781847040022}}</ref>.
Plus généralement, les fullerènes dont fait partie le C{{ind|60}}, sont une nouvelle famille de composés du carbone. Non équilatéraux, leur surface se compose d’une combinaison d’hexagones et de pentagones à l’instar des facettes d’un ballon de football. Cette disposition leur confère des structures toujours fermées en forme de cage de carbone. Il fallut néanmoins attendre 1990, pour que Huffman et Kramer de l’Université de Heidelberg, mettent au point un procédé de synthèse permettant l’obtention de ces molécules en quantités macroscopiques. Les nanotubes ont été identifiés six années plus tard dans un sous-produit de synthèse des fullerènes<ref>{{cite journal |last = Waldner |first = Jean-Baptiste |authorlink = Jean-Baptiste Waldner |title = Nano-informatique et Intelligence Ambiante - Inventer l'Ordinateur du XXIème Siècle [http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Special:Booksources&isbn=2746215160] |publisher = [[Hermes Science]] |place = London |date = 2007 | pages = p83 |isbn = 2746215160}}</ref>.
=== Les prophéties de Drexler ===
En 1986, [[Eric Drexler]] publie un ouvrage sur l'avenir des nanotechnologies, ''Engines of Creation'', dans lequel il délivre sa vision des progrès faramineux possibles avec l'essor des nanotechnologies. Ainsi les lois physiques paraissant insurmontables aujourd'hui pourraient être dépassées, les produits créés pourraient être moins coûteux, plus solides, plus efficaces grâce à la manipulation moléculaire. Mais Drexler a également prévu ce qu'on pourrait appeler le revers de la médaille, en effet de telles technologies capables de se reproduire ou du moins de se répliquer par elles-mêmes pourraient être tout simplement cataclysmique puisque, par exemple, des bactéries créées dans un quelconque intérêt commun pourraient se répliquer à l'infini et causer des ravages sur la flore mais aussi sur la faune et même sur l'humanité.
Drexler écrit que si l'essor des nanotechnologies, apparemment inéluctable dans le processus d'évolution, devait nous apporter énormément dans des domaines très vastes, il est également fort probable que ces technologies deviennent destructrices si nous ne les maîtrisons pas entièrement.
A ce sujet, une des questions qui peut être posée est la forte capacité pénétrante qu’ont les nanoparticules à l’égard des tissus cellulaires. Effectivement, du fait de leur taille inférieure aux cellules, dès lors que ces dernières sont à l’état de particules, elles peuvent outrepasser certaines barrières naturelles. Cette propriété est d'ailleurs déjà exploitée dans l’industrie cosmétique.
=== Physique des nanosciences ===
A l'échelle nanométrique, la matière présente des propriétés particulières qui peuvent justifier une approche spécifique. Il s'agit bien sûr des propriétés [[mécanique quantique|quantiques]], mais aussi d'effets de surface, de volume, ou encore d'[[effet de bord|effets de bord]].
En effet, conformément aux lois de la [[mécanique quantique]], une particule adoptera au niveau nanométrique un comportement ondulatoire au dépens du comportement corpusculaire que nous lui connaissons au niveau macroscopique. Cette [[dualité onde-particule]] est particulièrement visible dans l'expérience des [[fentes de Young]]. Un faisceau de particules (lumière, électrons, ...) interfère avec une série de fentes peu espacées et crée une figure d'interférences, caractéristique d'un phénomène ondulatoire.
Cette [[dualité onde-particule]] de la matière, qui reste à ce jour une des grandes interrogations de la [[physique]], va provoquer divers phénomènes au niveau nanométrique, par exemple :
* Quantification de l'électricité: dans un fil nanométrique, on a remarqué que le courant électrique n'est plus constitué d'un flux continu d'électrons mais qu'il est '''quantifié''', c'est-à-dire que les électrons circulent par "paquets" dans le circuit.
* Quantification de la chaleur: de même dans un circuit de taille nanométrique, on a observé que la chaleur se propage de manière '''quantifiée'''.
Ces phénomènes, observés expérimentalement<ref>Pour la Science: Nanosciences, n° 290, Belin, Paris, décembre 2001</ref>, confirment les théories de la [[mécanique quantique]].
Ce comportement de la matière nous oblige à revoir notre façon de penser : lorsque l'on veut décrire une particule, on ne parle plus en termes de position en un temps donné, mais plutôt en termes de '''probabilité''' que la particule se trouve à un endroit plutôt qu'à un autre.
L'enjeu majeur des nanosciences est donc de comprendre ces phénomènes mais aussi et surtout d'en tirer profit lors de la conception d'un système nanométrique.
=== L’émergence des nanotechnologies ===
Derrière l’effet d’annonce, plusieurs études ont été menées pour appréhender l’évolution des nanotechnologies et des nanosciences. Ainsi, en considérant le fait que les définitions ne sont pas stabilisées, la composante commune des différentes méthodes utilisées est de mesurer l’activité nanotechnologique sous trois angles : publications scientifiques (plutôt pour les connaissances fondamentales), brevets (plutôt pour les aspects technologiques), et éventuellement institutions et entreprises concernées ou encore les capitaux investis (pour mesurer l’activité économique et industrielle réelles). Qu’il s’agisse des brevets ou des publications scientifiques, les valeurs présentées dans les tableaux suivant étaient négligeables avant les années 1990.
==== L’évolution technologique de 1995 à 2003 dans le monde ====
Au regard de l’article paru dans la revue Nature Nanotechnology<ref>{{cite journal |author=Hullmann A|title=[http://www.nature.com/nnano/journal/v1/n2/full/nnano.2006.110.html Who is winning the global nanorace?] |journal=Nature Nanotechnology |volume=1 |pages=81-83 |year=2006 |doi=10.1038/nnano.2006.110}}</ref> en 2006, on note l’évolution suivante pour les brevets déposés à l’Office Européen des Brevets (EPO):
{| class="wikitable"
! Année
! 1995
! 2000
! 2003
|-----
| Nombre de brevets pour l'année
| 950
| 1600
| 2600
|}
Si ces chiffres représentent une forte évolution, on note également une relative stabilité pour ces deux périodes. Néanmoins cette évolution ne prend pas en compte les croissances plus rapides (1997-1999) et les diminutions (2000-2001).
==== L’évolution des connaissances fondamentales entre 1989 et 2000 dans le monde ====
Nous prendrons pour caractériser l’évolution des publications scientifiques, un article<ref>{{cite journal |author=Bonaccorsi A et Thoma G |title=[http://www.lem.sssup.it/WPLem/files/2005-13.pdf Scientific and Technological Regimes in Nanotechnology: Combinatorial Inventors and Performance] |journal=Laboratory of Economics and Management |pages=43 p. |year=2005}}</ref> utilisant une méthode plus englobante que celle utilisée dans nature nanotechnology et qui permet de caractériser l'évolution des publications nanotechnologiques :
{| class="wikitable"
! Périodes
! 1989-1990
! 1991-1992
! 1993-1994
! 1995-1996
! 1997-1998
! 1999-2000
|-----
| Publications cumulées
| 1000
| 10000
| 20000
| 35000
| 55000
| 80000
|-{{ligne grise}}
| Nouvelles publications
| 1000
| 9000
| 10000
| 15000
| 20000
| 25000
|}
==== Périodes de créations des entreprises concernées par les NST ====
En suivant un rapport <ref>{{cite journal |author=Hullmann A|title=[http://www.ist-mona.org/pdf/EU_Nanotechno_report_nov2006.pdf The economic development of nanotechnology - An indicators based analysis] |journal=European Commission, DG Research |pages=34p. |year=2006}}</ref> émis par la commission européenne à propos de l’estimation du développement économique des NST, nous pouvons regarder les dates de créations d’entreprises concernées par cette activité.
{| class="wikitable"
! Périodes de création
! Avant 1900
! 1900-1950
! 1951-1980
! 1981-1990
! 1991-2000
|-----
| Nombre d’entreprises concernées
| 20
| 60
| 45
| 75
| 230
|}
Ces chiffres sont établis sur un [http://www.nanoinvestornews.com/ répertoire d’entreprises] particulier qui semble sous-évaluer les effectifs réels. Ils montrent bien une nette accélération des entreprises concernées par les nanotechnologies depuis les années 1990, mais d’autres sources, plus complètes, font des estimations bien au dessus de ces chiffres. Le site [http://www.nanovip.com/ NanoVIP] estimait qu'en 2005 plus de 1400 entreprises étaient identifiées comme étant concernées par les nanotechnologies. Plus récemment, des recherches<ref>{{Lien web |url=http://www.nanodistrict.org/ |titre=Nanodistrict Positioning paper |auteur=Nanodistrict group |date=2007 |consulté le=22 septembre 2007}}</ref> font état d’un nombre d’entreprises supérieur à 6 000 en 2006. Ces recherches s’appuient sur une méthode visant à combiner les sources d’informations<ref>Méthode et [http://www.researches-nanoclusters.eu/fr/cartes-et-localisations/carte-des-firmes-entreprises-nanotechnologie.html localisation d'un échantillon des firmes] qui investissent dans les nanotechnologies dans le monde</ref> en ajoutant plusieurs marqueurs de l’activité nanotechnologique, comme par exemple les brevets. En 2006, à partir de ces résultats, les États-Unis accueillent 48% des entreprises qui investissent dans les nanotechnologies, alors que l’Europe (des 25 et des pays associés) totalise 30% et l’Asie 20%.
== Disciplines fondamentales des NST ==
Le développement actuel des NST mobilise et recouvre un large spectre de domaines et de disciplines scientifiques.
=== Les principaux champs scientifiques concernés ===
Du point de vue de la connaissance scientifique mobilisée, plusieurs sous-disciplines sont particulièrement utiles aux développements des connaissances fondamentales des NST. En effet, des analyses détaillées<ref>{{cite journal |author=OECD |title=Bibliometric Indicators of Nanoscience Research |journal=NESTI |volume=12 |pages=20p. |year=2006}}</ref> de la manière dont sont publiés et construits les articles scientifiques concernant les nanotechnologies et les nanosciences, montrent l’émergence de trois sous-champs spécifiques :
* biosciences et pharma : autour de la biologie, des laboratoires pharmaceutiques et des [[biotechnologies]]. Ce champ peut être qualifié comme celui de la [[nanobiologie]].
* nanomatériaux et synthèse chimique : autour de la chimie et des nanomatériaux. Ce champ peut être qualifié comme celui des '''nanomatériaux'''.
* superconductivité et ordinateur quantique : essentiellement issue de la microélectronique, ce champ peut être qualifié comme celui de la '''nanoélectronique'''.
L’ensemble de ces trois champs s’articulent les uns aux autres avec plus ou moins d’intensité et de distance. Ils ont un impact important sur les modalités d’organisation de l’activité industrielle qu’ils mobilisent dans la zone concernée. En effet, la nanobiologie est essentiellement structurée autour de nombreuses petites entreprises et des grands groupes pharmaceutiques, alors que les activités industrielles concernées par la nanoélectronique s’organisent, pour l’essentiel, autour de très grands groupes, quelques petites entreprises et des grands équipements partagés.
=== Ingénierie moléculaire ===
[[Image:Molecular gears.jpg|thumb|Engrenage moléculaire issu d'une simulation de la [[NASA]].]]
L'ingénierie moléculaire, rendue possible grâce à l'invention d'un instrument comme le microscope à effet tunnel, consiste à construire et développer des molécules "à façon"<ref>{{Lien web |url=http://www.cemes.fr/r2_rech/r2_sr2_gns/index.htm|titre=Le Cemes est un laboratoire de recherche du CNRS dédié à l'étude de l'infiniment petit|éditeur=CNRS}}</ref>.
=== Médicales ===
Les communautés biologiques et médicales exploitent les propriétés des nanomatériaux pour des applications variées (des agents contrastants pour l'imagerie de cellules, des thérapeutiques pour la lutte contre le cancer).
On regroupe sous le terme de [[nanobiologie]] et de [[nanomédecine]] les applications dans ce domaine. En France, Patrick Couvreur est le plus ancien représentant des chercheurs de ce courant des NST.
On peut ajouter des fonctions aux nanomatériaux en les interfaçant avec des structures ou des molécules biologiques. Leur taille est en effet assez proche. Les nanomatériaux sont donc utiles à la recherche et aux applications ''in vivo'' et ''in vitro''.
Cette intégration permet l'émergence d'outils de diagnostic ou d'administration de médicaments.
=== Énergétiques ===
On peut voir des avancées dans le domaine du stockage, de la production d'énergie ainsi que dans celui des économies d'énergie.
* Des structures empilées de semi-conducteurs permettent d'atteindre de bien meilleurs rendements pour les [[cellule photovoltaïque|cellules photovoltaïques]].
* Des réductions de la consommation d'énergie sont rendues possible par des systèmes d'isolation thermique, une amélioration des matériaux conducteurs. Dans le domaine de la production de lumière, l'utilisation de matériaux issus des nanotechnologies tels que les [[DEL|LEDs]] permettent d'obtenir un rendement très intéressant.
* L'utilisation de matériaux nano-poreux pour le stockage de l'[[hydrogène]] pourrait enfin permettre de démocratiser son utilisation, actuellement bloqué par la faible quantité d'hydrogène stockés dans les réservoirs conventionnels qui sont par ailleurs bourrés de défauts (fuite, rendements médiocres, lourds, chers, etc )
Cet hydrogène pourrait alors être utilisé dans des moteur à combustion ou par des [[Pile à combustible|piles à combustible]] .
* L'utilisation des nanotubes de carbone dans le domaine du stockage de l'électricité pourrait permettre de créer une pile, nommée [[supercondensateur]], qui se rechargerait en quelques secondes, tout en étant plus légère qu'une batterie chimique et en ayant une durée de vie d'environ 3000 ans<ref>Science & vie junior #215, août 2007, p.44</ref>.
=== Électroniques ===
[[Procédés de fabrication des dispositifs à semiconducteurs|Les structures des puces électroniques]] ou des [[circuit intégré|circuits intégrés]] sont déjà à l'échelle du [[nanomètre]] et utilisent intensivement les nanotechnologies.
Les avancées sont constantes dans les domaines des communications, du [[stockage d'information]] et du calcul.
Il n’y a guère longtemps, on considérait qu'intégrer des composants de deux [[micron]]s serait le seuil de miniaturisation absolu pour des dispositifs à semi-conducteurs (l'épaisseur du trait sur les circuits des premiers processeurs d'Intel était de l’ordre de 10 [[micron]]s. À cette époque on pensait qu’il serait bien difficile de dépasser la barrière d'un [[micron]]).
En 2004, des architectures de 90 [[nanomètre]]s constituent l’état de l’art et les processeurs sont produits en masse avec une finesse de 65 [[nanomètre]]s dès le premier semestre 2006. Des puces gravées en 45 [[nanomètre]]s sont sorties mi-2007, des puces en 32 [[nanomètre]]s devraient sortir en 2008-2009 et la gravure en 22 [[nanomètre]]s est déjà envisagée... Mais il y a une limite absolue, tout du moins pour une technologie héritée des procédés conventionnels de [[photolithographie]], y compris les évolutions des technologies actuelles, telles que la photolithographie « extrême-UV », la lithographie à rayon X durs, la gravure par faisceau d'électrons,... Les nanotechnologies suggèrent une nouvelle approche plus radicale lorsque les voies classiques auront atteint leurs limites.
Deux difficultés majeures prédominent dans la construction de circuits électroniques à base de nanotechnologie, et donc dans l'émergence de la [[nano-informatique]] :
* À l’échelle du [[nanomètre]], tout objet n’est qu’un assemblage des mêmes briques élémentaires : les atomes. À cette échelle du millionième de millimètre, les propriétés physiques, mécaniques, thermiques, électriques, magnétiques et optiques dépendent directement de la taille des structures et peuvent différer fondamentalement de celles du matériau au niveau [[macroscopique]], tel qu’on l'exploitait jusqu’à présent. Cela est dû à un ensemble de raisons qui incluent le comportement [[mécanique quantique|quantique]], mais également l’importance croissante des phénomènes d'interface.
* On est à ce jour incapable de maîtriser l’assemblage coordonné d’un très grand nombre de ces dispositifs de commutation (par exemple transistor à nanotubes de carbone - [[CNFET]] pour « Carbon Nanotube Field Effect Transistor » ou encore circuits électroniques mono-moléculaires hybrides,...) sur un circuit et encore moins de réaliser cela sur un plan industriel.
== Derrière les définitions des NST ? ==
La diversité des recherches engagées dans le domaine des NST ainsi que la variété des savoirs mobilisés, a amené la constitution de plusieurs définitions des NST dans la littérature. Ce constat peut s’appuyer sur deux idées centrales qui ont un impact important sur notre capacité à trouver une définition unique et stable :
* le taux de croissance élevé (nombre d’articles et nombre de brevets par exemple) de cette discipline par rapport à des sciences établies (en incluant les [[biotechnologies]] qui sont en train de se stabiliser)
* la nature floue des frontières de cette jeune discipline qui assemble et réorganise des savoirs jusqu’alors (en partie) cloisonnés.
=== Définition par les propriétés de la matière ===
Les NST peuvent être caractérisées par l'étude de nouvelles propriétés de la matière<ref>{{ouvrage |éditeur= Nanoforum.org European Nanotechnology Gateway |titre=[http://www.nanoforum.org/nf06~modul~showmore~folder~99999~scid~421~.html?action=longview_publication& Nanotechnology in Consumer Products] |auteur= Michael Gleiche, Holger Hoffschulz, Steve Lenhert |année=2006 |pages=8-9 }}</ref> apparaissant à l'échelle nanométrique, en particulier avec les effets de surface et les effets quantiques.
En effet, à l'échelle nanoscopique, le rapport entre les différentes forces d'interactions est différent du rapport à l'échelle [[macroscopique]]. Les forces de surface deviennent prépondérantes face aux forces d'inertie, en effet :
*Les forces d'[[inertie]] et le [[poids]] varient avec le cube de la longueur caractéristique des objets manipulés (forces volumiques).
*Les forces de surface telles que les forces de [[Force de van der Waals|Van der Waals]] ou les forces électromagnétiques varient avec le carré de la longueur caractéristique de l'[[objet]].
* La [[force de Casimir]] est souvent non négligeable, et les axes frottent davantage que si elle n'existait pas.
De surcroît, les faibles dimensions permettent de faire intervenir des effets quantiques tels que l'[[effet tunnel]], le transport balistique et l'émission de champs. Il existe des applications directes dans le domaine des [[semi-conducteur]]s et ouvre des perspectives pour les [[supraconductivité|supraconducteurs]].
Pour des tailles de l'ordre du nanomètre, les caractéristiques électriques, mécaniques ou optiques des matériaux changent.
D'autre part, les rapports de surfaces devenant prépondérants, les '''nanotechnologies''' ouvrent des perspectives en chimie, en particulier pour la [[catalyse]].
=== Définition par l'approche bottom up ===
Il est également possible de définir les NST par la nouvelle démarche qui les caractériserait.
Historiquement, le processus de fabrication d’une machine ou d’un objet manufacturé simple relève de manipulations et d’agencements essentiellement macroscopiques. Les matériaux sont produits, mis en forme par enlèvement de matière<ref>{{ouvrage |éditeur=ISTE |titre="Nanocomputers & Swarm Intelligence" |auteur=Waldner J.B.|prénom=Jean-Baptiste |nom=Waldner |année=2008 |isbn=1847040020}}</ref> ou déformation, puis assemblés à l’échelle de grands agrégats de matière. Plus récemment, l’exemple de la [[Micro-électronique|microélectronique]] montre que nous sommes en mesure de produire sur une surface équivalente, un nombre toujours plus élevé d’éléments constituants. Ainsi le nombre de [[transistor]]s des [[microprocesseur]]s sur une puce de silicium double tous les deux ans ([[loi de Moore]]). Cette augmentation illustre le phénomène de miniaturisation qui prédomine en [[Micro-électronique|microélectronique]] et plus largement en [[électronique]].
Par opposition, la nanotechnologie s'appuie sur le procédé inverse : elle consiste à partir du plus petit pour aller vers le plus grand. Elle va de l’intérieur (des atomes) vers l’extérieur (les machines et les produits manufacturés). C’est pour cela que nous la qualifierons de technologie « ascendante ». La nanotechnologie est donc la discipline qui vise à étudier, manipuler et créer des groupes d'atomes puis des objets manufacturés par le contrôle individuel des atomes, « du bas vers le haut ».
Dans cette perspective, le terme générique "nanotechnologies" concerne l'assemblage contrôlé d'atomes et de molécules en vue de former des composants de taille supérieure caractérisés parfois par de nouvelles propriétés physico-chimiques.
== Nanotechnologies et applications ==
=== Nanoparticules, nanomatériaux et applications commercialisées ===
Même s'il y a eu un engouement sur les applications potentielles des nanotechnologies, une grande partie des applications commercialisées se limite à l’utilisation d’une « première génération » de nanomatériaux passifs. Cela inclut les nanoparticules de dioxyde de titane dans les crèmes solaires, cosmétiques et certains produits alimentaires ; des nanoparticules de fer dans le packaging alimentaire ; des nanoparticules d’oxyde de zinc dans les crèmes solaires et les cosmétiques, dans les enduits extérieurs, peintures, et dans les vernis d’ameublement ; et des nanoparticules d’oxyde de cérium intervenant comme un catalyseur de carburant.
Un projet, [http://www.nanotechproject.org/inventories/ The Project on Emerging Nanotechnologies], recense les différents produits contenant des nanoparticules et basés sur des nanotechnologies. En 2007, ce projet identifie plus de 500 produits de consommation basés sur des nanotechnologies. En 2006, le rapport issu de ce projet nous indique que le principal secteur concerné par les produits de consommation nanotechnologiques est celui de la santé et des sports (vêtements, accessoires de sports, cosmétiques, soins personnels, crème solaire, …) avec 59% des produits suivit de l’électronique et de l’informatique qui en rassemble 14% (Audio et vidéo; caméra et pellicules; hardware informatique; dispositifs mobiles et communication).
=== Approche bottom up et perspectives ===
De plus, les applications exigeant la manipulation ou l'arrangement des composants à une échelle nanométrique (atome par atome) nécessitent l’approfondissement des recherches en cours avant d’aboutir à leur commercialisation. En effet, les technologies actuellement marquées avec le préfixe « nano » sont parfois peu liées et éloignées des objectifs finaux annoncés par les nanotechnologies, en particulier dans le cadre de la fabrique moléculaire qui est une idée toujours suggérée par le terme. Ainsi, il peut y avoir un danger qu'une « bulle nano » se forme (ou soit en train de se former), issue de l'utilisation du terme par les scientifiques et les entrepreneurs afin de recueillir des moyens financiers supplémentaires, au dépend de l’intérêt réel que représentent les possibilités des transformations technologiques à long terme<ref>{{cite journal |author=Maynard A et Michelson E |title=[http://www2.cst.gov.uk/cst/business/files/ww6.pdf The Nanotechnology Consumer Products Inventory] |journal=Wilson Center and The Pew Charitable Trusts |pages=10 p. |year=2006}}</ref>.
David M. Berube, dans un livre sur la bulle nanotechnologique<ref>{{ouvrage |éditeur=Prometheus Books |titre=Nano-hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz |auteur=David M. Berube |prénom=David M. |nom=Berube |année=2006 |isbn=1-59102-351-3}}</ref>, conclut également dans ce sens en rappelant qu’une partie de ce qui est vendu en tant que « nanotechnologies » est en fait un remaniement de la science des matériaux. Ce phénomène pourrait mener au fait que les nanotechnologies soient représentées par une industrie fondée essentiellement sur la vente de nanotubes et de nanowires (fils unidimensionnels mesurés en nanomètres), ce qui aurait pour effet de limiter le nombre de fournisseurs à quelques entreprises vendant des produits à faibles marges avec des volumes très conséquents.
== L'organisation des NST ==
=== Financements des NST ===
La recherche scientifique requière un investissement souvent important. Dans le cas des nanotechnologies, où l’objet d’étude se spécialise et qui nécessite des équipements spécifiques et coûteux, les investissements nécessaires ne peuvent être supportés par une seule équipe. Pour continuer leurs recherches, les scientifiques et les ingénieurs sont financés par une grande diversité d’acteurs qui peuvent être regroupés en trois catégories<ref>{{Lien web |url=http://www.clarkson.edu/projects/nanobird/3.2.php |titre=Sources of Funding - Societal Dynamics of Nanotechnology |auteur=Peter Bird |éditeur=Clarkson University |date=2006 |consulté le=22 septembre 2007}}</ref>:<br />
*'''Les organisations publiques (gouvernement) :''' les gouvernements soutiennent fortement à la fois la recherche appliquée et la recherche fondamentale. En effet, certains pays ont un système de validation des brevets qui leurs sont propres, ainsi qu’un grand nombre d’agences et de départements, qui permettent de favoriser l’obtention de contrats ou la protection de la propriété intellectuelle. Les organisations publiques jouent donc un rôle important dans le déploiement des moyens de coordination, permettant d'améliorer la circulation des connaissances dans la communauté scientifique, ainsi que de favoriser la rencontre entre les chercheurs, organisations, universités et institutions.
*'''Les organisations à but non lucratif :''' les universités constituent le cœur de cette catégorie, bien que pour leurs recherches elles reçoivent souvent des financements de sources extérieures, comme le gouvernement mais aussi les secteurs industriels concernés. Dans cette catégorie intervient aussi une multitude d’organisations de bases privées et d'autres organismes qui soutiennent, sans objectifs directement financiers, la recherche en sciences.
*'''Entreprises et secteur privé :''' dans la plupart des pays développés, le secteur privé est à l’initiative d’environ les trois quarts des dépenses nationales de recherches et de développement. Cette importance du secteur privé est à nuancer avec des situations comme celles des Etats-Unis ou de l’Union Européenne, qui ont des gouvernements qui investissent dans les NST en proposant une politique de recherche et d’innovation forte, en particulier dans les premières phases de développement de secteurs industriels nouveaux, comme l’est celui des NST.
<br />
En prenant en compte à la fois les investissements privés et publics de R&D concernant les nanotechnologies, il est possible de positionner les pays les uns par rapport aux autres en fonction du volume des investissements réalisés. Toutefois, cette opération nécessite des précautions dans la mesure où, d’une part la taille des entités comparées intervient et d’autre part, pour le fait que chaque gouvernement a souvent un appareil ainsi que des modalités de financements de la recherche spécifiques. Ainsi, en 2005, la R&D des NST était financée à la hauteur de 48,1% par les gouvernements, de 46,6% par les entreprises et 5,2% par du [[capital risque]] pour un total investie sur l’année de 9,57 milliards de $<ref name="A Matter of Size">{{ouvrage |éditeur= The National Academy Press |titre=[http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=11752 A Matter of Size : Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative] |auteur= National Research Council of the National Academies |année=2006 |pages=46-47 |isbn=0-309-10223-5}}</ref>. En suivant cette répartition, le pays arrivant en tête est les Etats-Unis (1,606 milliard $), suivit du Japon (1,1 milliard $), de l'Allemagne (413 millions $), de l’Union Européenne (269 millions $), et de la Chine (250 millions $). La France, quant à elle, arrive en 8{{e}} position, en cumulant un total de 103 millions de $ dédié à la R&D des nanotechnologies<ref name="A Matter of Size"/>.
=== Structuration institutionnelle et institutions concernées ===
En Europe, le 7{{e}} PCRD joue un rôle important dans l'organisation des recherches en NST à l'échelle du continent. Le 7{{e}} Programme Cadre de Recherche et Développement est issu de la [[stratégie de Lisbonne]], dont les objectifs généraux ont été décidé en 2000, qui définit les orientations économiques et politiques afin de doter l’Union européenne d’une économie de la connaissance compétitive et dynamique : « Les objectifs généraux du 7{{e}} PC ont été regroupés en quatre catégories: Coopération, Idées, Personnes et Capacités. Pour chaque type d’objectif, il existe un programme spécifique correspondant aux domaines principaux de la politique de recherche de l’UE. Tous les programmes spécifiques œuvrent en commun pour promouvoir et encourager la création de pôles européens d’excellence (scientifique) »<ref>{{Lien web |url= http://cordis.europa.eu/fp7/understand_fr.html |titre=Comprendre le 7e PC |auteur= CORDIS |éditeur= Office des publications |date=2006 |consulté le=24 septembre 2007}}</ref>. L’Union Européenne annonce plus d’un doublement des budgets alloués aux programmes cadre qui passeraient d’envions 20 milliards d’euro (entre 2002 et 2006) à 53,2 milliards (pour la période 2007 à 2013) <ref name="7PC">{{ouvrage |éditeur=Office des publications |titre=[http://ec.europa.eu/research/fp7/pdf/fp7-brochure_fr.pdf Le 7ème programme Cadre : placer la recherche européenne au premier plan] |auteur=Commission européenne Direction générale de la Recherche |année=2007 |pages=2-5}}</ref>. A ce titre, les nanotechnologies figurent en bonne position dans la catégorie Coopérations du 7{{e}} PCRD, qui visent essentiellement à favoriser la création de partenariats entre différentes équipes de recherche européenne (et les pays partenaires), ainsi qu’à développer des recherches pluridisciplinaires et transversales<ref name="7PC"/>.
En symétrie avec le Programme Cadre de l’Union Européenne, les Etats-Unis ont défini la National Nanotechnology Initiative (NNI) qui a débuté en 2001. Contrairement à l’Union Européenne, ce programme fédéral de Recherche et Développement est spécifiquement dédié aux Nanotechnologies, mais vise également à coordonner les efforts des multiples agences qui travaillent à une échelle nanométrique en science et technologie<ref>{{Lien web |url=http://www.nano.gov/html/about/home_about.html |titre=About the NNI |auteur= National Nanotechnology Initiative |consulté le=24 septembre 2007}}</ref>. En 2008, le budget alloué à la NNI serait de 1,5 milliard de $, soit plus du triple des dépenses estimées pour l’année 2001 (464 millions de $)<ref>{{Lien web |url=http://www.nano.gov/NNI_FY08_budget_summary-highlights.pdf |titre=National Nanotechnology Initiative: FY 2008 Budget & Highlights |auteur= National Nanotechnology Initiative |éditeur=National Science and Technology Council |date=2007 |consulté le=24 septembre 2007}}</ref>.
Au regard des sommes investies, ce type de programme influe fortement sur la structuration des espaces de la recherche scientifique et sur la nature des collaborations engagées. En effet, c’est à partir d’axes initiaux de développement que sont définis des objectifs concrets qui amènent à construire des appels à projets.
À noter en matière de nanotechnologies, l'importance de la technopole grenobloise qui représente un bassin de recherche et d'ingénieurs unique en Europe dans ce domaine. Des pays émergeants, notamment le Maroc, ont créé des zones prioritaires dédiées à la recherche en nanotechnologies.
== La sociologie des NST ==
=== Une manne financière pour les physiciens ===
{{...}}
=== Le phénomène de "re-labelisation" des programmes de recherche ===
{{...}}
Tous les laboratoires affichant leur appartenance au domaine des NST n'ont pas nécessairement infléchis leurs thématiques de recherche. Certains ont "re-labélisé" leur travaux en ajoutant le préfixe "nano" à l'intitulé de leur programme, sans rien changer sur le fond.
== Philosophie des NST ==
{{...}}
Bernadette Bensaude Vincent analyse le rapport particulier qu'entretiennent les scientifiques impliqués dans les NST à leurs objets d'étude.
== Débat éthique et risques ==
{{article détaillé|Débat sur les nanotechnologies}}
Les enjeux et les risques induits par l’incorporation de matériaux nanotechnologiques<ref>{{Lien web |url=http://copublications.greenfacts.org/fr/nanotechnologies/index.htm |titre= Les méthodologies qui existent pour évaluer les risques liés aux nanoparticules sont-elles appropriées ? |auteur= Comité scientifique des risques sanitaires émergents et nouveaux |année=2006 |éditeur=Commission européenne |consulté le=21 septembre 2007}}</ref> (en particulier avec les nanoparticules<ref>{{Lien web |url=http://www.ecologie.gouv.fr/article.php3?id_article=6041 |titre= Nanotechnologies, nanoparticules : quels dangers ? quels risques ? |auteur=Comité de la Prévention et de la Précaution |éditeur=Ministère de l'écologie, du développement et de l'aménagement durables |date= 2006 |consulté le=22 septembre 2007}}</ref>) ainsi que les nouvelles applications qui seront permises par le biais de la maîtrise de la fabrication à l’échelle atomique, nourrissent un vif débat. Une de ces controverses pourrait se résumer autour de l’idée que la fin du {{s|XX|e}} a été marquée par une évolution scientifique et technologique majeure, dont les conséquences ne sont par encore toutes identifiées et qu’il convient dans ces circonstances de faire preuve de prudence et d’examiner les risques ''a priori'' en application du [[principe de précaution]]<ref>{{Lien web |url=http://www.cea.fr/recherche_fondamentale/nanosciences_et_nanotechnologies/nanosciences_nouvel_age_d_or_ou_apocalypse |titre=Nanosciences : nouvelle âge d'or ou apocalypse |auteur=Louis Laurent |coauteurs=Jean-Claude Petit |éditeur=CEA |consulté le=21 septembre 2007}}</ref>.
== Références ==
{{Références|colonnes = 2}}
== Chronologie ==
* [[1911]] : Premiere utilisation du prefix "nanno" par un scientifique
* [[1956]] : choix du prefix "nano" par le BIPM comme une sous unite du metre
* [[1959]] : [[Richard Feynman]] tient [http://www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html son discours] au [[Caltech]] où il déclare « ''There is Plenty of Room at the Bottom'' » (Il y a beaucoup d'espace en bas, sous-entendu : à étudier)
* [[1974]] : Première mention du terme ''nanotechnologie'', forgé par Norio Tanigushi
* [[1974]] : Invention de la diode moléculaire par A. Aviram et M. Ratner
* [[1981]] : Invention du [[microscope à effet tunnel]]
* [[1985]] : Découverte des [[fullerène]]s
* [[1986]] : Invention du [[microscope à force atomique]] par des chercheurs d'IBM a Zurich
* [[1986]] : Parution de "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology", de [[Kim Eric Drexler]]
* [[1987]] : La pointe du microscope a effet tunnel est utilise par des chercheurs d'IBM pour faire commuter un seul interupteur moleculaire
* [[1990]] : Des chercheurs d'[[International Business Machines Corporation|IBM]] écrivent le nom de leur société avec 35 atomes de [[xénon]] à l'aide d'un microscope à effet tunnel
* [[1991]] : Découverte des [[nanotube]]s
* [[1995]] : Premier contact électrique sur une seule molécule
* [[1997]] : Premier amplificateur réalisé avec une seule molécule
* [[1998]] : Première observation de la rotation d'une molécule rotor de 1 nm de diamètre
* [[2001]] : Premier [[transistor]] réalisé avec un nanotube
* [[2001]] : Invention de la molécule brouette par des chercheurs toulousains
* [[2003]] : [[Millipede]], prototype de système de [[stockage de données]], réalisé par IBM, et utilisant des perforations nanométriques
* [[2004]] : Premiers [[microprocesseur]]s gravés avec une finesse de 0,09 µm, soit 90 nm, chez [[Intel]] et [[Advanced Micro Devices|AMD]]
* [[2005]] : [[Intel]] construit des [[transistor]]s de 65 nm
* [[2006]] : [[Intel]] est en phase de test pour la gravure en 45 nm qui devrait arriver en [[2007]]
* [[2007]] : Invention du premier dispositif mécanique moléculaire: un pignon le long d'une crémaillère
== Voir aussi ==
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=== Liens internes ===
* [[Biotechnologie]]s
* [[MEMS|Microsystème électromécanique]]
* [[NEMS|Nanosystème électromécanique]]
* [[Nanorobot]]
* [[Nano-informatique]]
* [[Mécanique quantique]]
* [[Débat sur les nanotechnologies]]
=== Bibliographie ===
==== Livres ====
* {{fr}} Eric Drexler ([[1986]]), ''Engins de création'', ISBN 2-7117-4853-7
* {{fr}} Christian Joachim, Laurence Plévert ([[2008]]), ''Nanosciences. La révolution invisible'', Seuil, Paris, ISBN 978-2-02-086703-0
* {{en}} Kurzweil, Ray. ([[2006]]), ''Promise and Peril - The Deeply Intertwined Poles of 21st Century Technology'', Communications of the ACM, Vol. 44, Issue 3, pp. 88-91.
* {{fr}} Dominique Luzeaux et Thierry Puig ([[2007]]), ''À la conquête du nanomonde. Nanotechnologies et microsystèmes'', Éditions du Félin. ISBN 978-2-86645-643-6
* {{fr}} Jean-Louis Pautrat ([[2002]]), conseiller en communication de [[Minatec]], ''Demain le nanomonde : Voyage au cœur du minuscule'', ISBN 2-213-61336-2
* {{fr}} [[Pièces et Main d'Œuvre]], ''Nanotechnologies/Maxiservitudes'', L'Esprit frappeur, 2006, 133 pages, {{ISBN|2844052266}}
* {{en}} N. Taniguchi ([[1974]]), ''On the Basic Concept of 'Nano-Technology''', Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering
* {{fr}} Mark Ratner, Daniel Ratner ([[2003]]), ''Nanotechnologies - La révolution de demain'', ISBN 2-7440-1604-7
* {{fr}} Jean-Baptiste Waldner ([[2006]]), ''Nano-informatique et Intelligence Ambiante'', Hermes Science, London, ISBN 2-7462-1516-0
* {{fr}} Michel Wautelet ([[2003]]), ''Les nanotechnologies'', ISBN 2-10-007954-9
* {{en}} Mark R. Wiesner and Jean-Yves Bottero ([[2007]]), ''Environmental Nanotechnology : Applications and Impacts of Nanomaterials'', Mc Graw Hill, New York, ISBN 978-0-07-147750-5
* ((fr) Yan de Kerorguen ((2006), "Les nanotechnologies, espoir, menace ou mirage?". Editions Lignes de repères, 157 pages, ISBN 2-915752-14-1
==== Articles ====
* {{fr}} [[Jean-Pierre Dupuy]], « Le risque inouï des nanotechnologies », ''L'Écologiste'', n°10, juin 2003, p. 70-72. L'un des articles clefs du premier dossier critique de la presse française sur les nanotechnologies.
=== Liens externes ===
{{trop de liens}}
* {{fr}} [http://www.cite-sciences.fr/servlet/ContentServer?pagename=PointDocV2%2FIndex&c=PtD_PointDoc&cid=1168246142088&iv=false&pm=false Nanotechnologies:quels enjeux ?] une selection de livres,articles,films(Mediatheque-Cite des sciences et de l'industrie)
* {{fr}} [http://nano.cerege.fr/ Nanosciences et nanotechnologies : enjeux environnementaux et craintes (CEREGE)]
* {{fr}} [http://www.cnrs.fr/nanos Nanotechnologies et Santé] : dossier Sagascience du [[Centre national de la recherche scientifique|CNRS]]
* {{fr}} [http://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/ Portail officiel français des NST]
* {{fr}} [http://www.recherche.gouv.fr/brochure/nanomonde.pdf ''A la découverte du nanomonde''] : plaquette grand public du Ministère de la Recherche (2° édition 2005)
* {{fr}} [http://www.cea.fr/technologies/le_nanomonde_de_la_science_aux_applications Dossiers du CEA consacrés au nanos consultables en [[Portable Document Format|PDF]]]
* {{fr}} [http://www.omnt.fr Observatoire des Micro et Nanotechnologies (CEA-CNRS)], veille stratégique sur les principales thématiques du secteur
* {{fr}} [http://www.minatec.com/index0.htm Minatec], pôle Européen de nanotechnologies
* {{en}} [http://www.nanoforum.org/ Nanoforum - European Nanotechnology Gateway]. Réseau thématique de l’UE, informations sur les nanotechnologies, le secteur industriel apparenté, la communauté scientifique et sociale.
* {{en}} [http://cordis.europa.eu/nanotechnology/ CORDIS : Nanotechnology Homepage of the European Commission]
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