Cours grand public

La nanotechnologie, qu'est-ce que c'est ?

Il s'agit de technologie traitant les objets de grandeur comprise entre 0,1 micron et 10 nanomètres. Les dispositifs nanotechnologiques sont réalisés selon deux approches différentes. Une première approche (dite " Top-down ") consiste à appliquer les techniques de la microélectronique à l'extrême. Une seconde approche consiste à construire des structures à partir d'atomes ou de molécules par des méthodes d'auto-assemblage (technique dite " Bottom-up "). Pour y parvenir, les chercheurs conjuguent la chimie, la biologie, la physique et l'électronique et travaillent par exemple sur l'auto-assemblage de nouveaux matériaux tels que des nanofils couplés à des biomolécules.

La nanotechnologie, quel enjeu ?
Travailler à cette échelle permettra la production de circuits intégrés plus rapides, plus fiables, plus denses. Tous les secteurs de l'industries sont concernés : micro-informatique, spatial, aéronautique, imprimerie, traitement de surfaces mais aussi médecine, génétique, agronomie. En pratique, les composants qui seront fabriqués dans les cinq à six années à venir seront constitués de sous-ensembles intégrant des nano-structures. Les experts estiment le marché potentiel annuel à 340 milliards de dollars pour les matériaux, 300 milliards pour l'électronique, 180 milliards pour l'industrie pharmaceutique,...

Le nanomètre c'est 10-9 mètre ou un millionième de millimètre ! Sur la photo ci-dessusla lettre M écrite sur une surface de silicium avec la pointe d'un microscope STM (Scanning Tunneling Microscope) mesure environ 23 nanomètres de large. A cette échelle-là, toute l'encyclopédie Universalis tiendrait dans un carré de 1 millimètre de côté !

Les ultrasons sont parmi nous

Que sont-ils ? Où sont-ils utilisés ? Petit tour d’horizon…Petite définition : Les ultrasons sont des vibrations acoustiques de fréquence trop élevée pour être audibles (supérieure à 20 kilohertz). Ils se propagent en milieu solide, liquide ou gazeux.

On distingue les ultrasons dits de puissance et les ultrasons de faible puissance. Les premiers sont considérés comme tels car ils modifient le milieu dans lequel ils se propagent. Les seconds sont utilisés pour transmettre une information. La production d’ultrasons a débuté en 1917 pour la lutte anti sous-marine. Paul Langevin met alors au point le premier « sonar » dans la Seine. Près de 20 ans avant le radar (qui lui utilise les ondes électromagnétiques), la détection et la localisation d’obstacles à partir des ondes réfléchies deviennent la première utilisation des ultrasons. Ce principe reste toujours d’actualité en acoustique sous-marine mais aussi en géophysique.

De nombreuses applications.
Les nombreuses propriétés mécaniques, physiques et chimiques des ultrasons trouvent aussi leur application dans différents domaines. Dans l’industrie, les ultrasons servent au dégazage des métaux, à la détection de défauts, à l’usinage et la soudure de certains matériaux. Dans l’agro-alimentaire, la cavitation permet des émulsions particulièrement stables et trouve aussi son utilisation dans la stérilisation du lait. Certaines applications sont même étudiées pour la dépollution. Dans le domaine médical, ils sont utilisés pour l’imagerie et pour le traitement de certaines lésions. Ainsi ce qui n’était au début du XXe siècle qu’un moyen de « chasse au sous-marin » est devenu un précieux atout dans de très nombreux domaines de l’activité humaine.

Les microsystèmes, vous en avez déjà rencontré

«Micro-robots », « Micro-machines », ces termes viennent régulièrement illustrer les articles de la presse généraliste lorsqu’il s’agit d’évoquer la recherche scientifique, le futur. Mais qu’en est-il réellement ? Les Microsystèmes ou MEMS* sont apparus au Japon et aux Etats-unis au début des années 80. Il s’agit de systèmes miniaturisés comportant des capteurs, des actionneurs, des dispositifs de traitement de l’information. Leur particularité tient à leur taille comprise entre quelques microns (Millième de millimètre) et quelques millimètres. Cette « technologie de l’infiniment petit » intéresse la recherche et l’industrie car au delà de la baisse de coût de fabrication, elle permet de multiplier les fonctionnalités. Elle fait appel à toutes les disciplines scientifiques : électronique, mécanique, thermique, fluidique, chimie, biologie,…

Aujourd’hui, dans notre quotidien, les microsystèmes sont déjà présents dans l’imagerie numérique où des micro-miroirs actionnés de 16 micromètres sont utilisés dans la vidéo projection, dans les accéléromètres des Airbag de voitures, ou encore dans les têtes d’impression à jet d’encre. En 2002, ils représentaient un marché de 38 milliards de dollars.

Demain les microsystèmes se développeront dans le domaine de la téléphonie mobile où des projets visent à inventer de nouveaux composants plus performants. Un autre secteur fait l’objet de nombreux programmes : le domaine biomédical qui verra les micro-systèmes utilisés pour des outils de mesure pour le diagnostic, pour l’instrumentation de micro-chirurgie, pour la création de prothèses ou de micro systèmes d’injection de médicaments ou d’analyses. Finalement c’est toute la technologie qui est ré-inventée à une autre dimension !

*MEMS = Micro Electro Mechanical Systems.

La nano-biologie

Au sein de l’IEMN des équipes de chercheurs de l'ISEN ISEN sont impliqués dans la création d’un nouvel institut, l’IRI (Institut de Recherche Interdisciplinaire). Celui-ci réunira physiciens, biologistes, mathématiciens, automaticiens, chimistes autour d’un nouveau domaine de recherche, la nanobiologie…

Un nouveau concept. Les progrès récents de la recherche ont permis d’identifier de nombreuses espèces moléculaires et suscitent un nouveau défi : comprendre le système d’organisation et de régulation des ensembles qu’elles constituent. En effet, ce sont ces phénomènes qui assurent la robustesse du comportement des cellules malgré la complexité des réactions chimiques individuelles. Par là, il s’agit aussi de comprendre comment la robustesse de ces cellules peut être affectée lors d’un processus pathologique.

Une nouvelle recherche. Le changement est majeur car c’est la prise en compte des interactions entre les composants et pas seulement leur nature ou leur structure qui permettra de comprendre leur fonctionnement. On passe par exemple de l’étude d’un gène à celle d’un réseau de régulation.
Les perspectives. Outre un nouveau concept pour la biologie du XXIème siècle, cette problématique intéresse aussi l’étude de la fiabilité des systèmes composés d’un grand nombre de nano-composants et dégage des concepts pour les nanotechnologies (Nano-systèmes existants, autoassemblage, biomimétique, …). Pour identifier, mesurer ces phénomènes et créer des nouveaux procédés, chaque discipline apporte son savoir-faire. La physique, apporte par exemple la quantification (force, vitesse, déplacement,…) la conceptualisation, la modélisation...Par ailleurs, les nanotechnologies offrent de nouveaux outils permettant d’imager et de manipuler des objets de taille nanométrique.