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Nanotechnologie

«Le terme nanotechnologie fut utilisé pour la première fois en 1974 par Norio Tanigushi. Il fut toutefois popularisé par K. Éric Drexler dans les années 1980, lorsque celui-ci introduisit le terme de «manufacture moléculaire». Richard Feynman a été le premier scientifique à avancer l'idée qu'il serait bientôt possible pour l'homme de transformer la matière au niveau atomique. Dans un discours visionnaire devenu depuis célèbre, prononcé en décembre 1959 devant l'American Physical Society, il envisageait la possibilité de faire tenir tout le contenu de l'encyclopédie Britannica sur la tête d'une épingle et de réorganiser la matière atome par atome (2).

Le rapport du National Science and Technology Council (3) sur les nanotechnologies définit les nanotechnologies comme étant la création et l'utilisation de matériaux, d'instruments et de systèmes portant sur la matière de l'ordre de 1 à 100 nanomètres. Un nanomètre (nm) est une unité de mesure qui correspond à un milliardième de mètre (soit 10-9 mètre). Pour mieux en apprécier la dimension, pensons que la taille des atomes se situe aux environs de 0,1 à 0,4 nanomètre, qu'une molécule d'ADN mesure 2 nm de large (mais 10 mètres de long), qu'un virus mesure entre 10 et 100 nm alors que l'épaisseur d'un cheveu humain se situe entre 50 000 nm et 100 000 nm. Cette définition du National Science and Technology Council masque le fait qu'il n'y a pas unanimité en ce moment quant au contenu de ce nouveau champ scientifique, tant au Québec qu'ailleurs dans le monde. Aucune rencontre internationale ne se tient encore sans que cette question soit évoquée.

(...) il est important de ne pas définir les nanotechnologies de façon trop large, sinon un fort pourcentage de scientifiques pourraient abusivement se réclamer du secteur, le transformant en secteur fourre-tout. N'est pas davantage opportune une définition trop pointue, susceptible de faire perdre de vue les liens théoriques et appliqués qui doivent être tissés entre les différentes disciplines et les multiples objets de recherche concernés. Le problème tient au fait que les chimistes, les physiciens et les biologistes peuvent tous prétendre travailler à l'échelle nanométrique, le plus souvent dans un cadre théorique mais également pratique. Ainsi, plusieurs des phénomènes étudiés par les biologistes se situent au niveau nanométrique : ADN, virus, interactions entre une cellule et son environnement, etc. Le cas des physiciens est encore plus patent : plusieurs d'entre eux étudient et effectuent des manipulations au niveau atomique depuis plus de cinquante ans, particulièrement depuis la maîtrise de l'énergie nucléaire. Il en est de même des chimistes, qui réalisent des travaux à l'échelle nanométrique depuis au moins un siècle : la catalyse chimique appliquée au raffinage du pétrole, à la découverte de médicaments, de polymères et de plastiques fournit un exemple parfait de nanotechnologies avant la lettre.

La faculté de manipuler la matière au niveau atomique est certainement la marque distinctive la plus forte des nanotechnologies. D'ailleurs, une interprétation très restrictive limiterait les nanotechnologies à la construction de molécules ou de particules à partir d'atomes individuels. Rares sont les recherches qui correspondraient actuellement à cette grille dans le monde.

(...) La nanoscience est donc le domaine qui porte sur l'étude des phénomènes observés dans des structures et systèmes : 1) dont la taille, dans au moins une dimension de l'espace, s'exprime en nanomètres; et 2) qui possèdent des propriétés découlant spécifiquement de cette taille nanométrique. Les nanotechnologies sont quant à elles le domaine qui s'intéresse aux applications de ces phénomènes. La deuxième condition mentionnée ci-dessus permet de distinguer les activités «nano» de celles qui se déroulent depuis longtemps, par exemple en biologie ou en chimie macromoléculaire. Cette condition fait également en sorte d'écarter les travaux sur la miniaturisation des transistors, puisque les transistors fonctionnent à partir d'un principe classique de la microélectronique, et par conséquent ne recourent pas aux effets spécifiques qui se manifestent uniquement à l'échelle nanométrique.

Par contre, certaines structures photoniques, dont la taille peut être de quelques centaines de nanomètres, présentent de nouveaux effets de confinement de photons qui font l'objet d'études fondamentales et appliquées, et s'inscrivent ainsi dans la définition retenue des domaines de la nanoscience et des nanotechnologies.

Les nanotechnologies sont à proprement parler révolutionnaires. En effet, à cette échelle de mesure, les matériaux et les systèmes peuvent révéler des caractéristiques jusque-là complètement inconnues. Cette découverte vient modifier sensiblement la connaissance qu'on a de leurs propriétés ainsi que des phénomènes et processus physiques, chimiques ou biologiques en cause. On est alors à même de constater que les propriétés de la nano-matière ne peuvent être déduites de celles de la même matière à plus grande échelle.

Les possibilités d'application des nanotechnologies sont pratiquement infinies et touchent tous les domaines technologiques qui peuvent venir à l'esprit. Si une partie seulement de ces applications se concrétise, elle entraînera des bouleversements inédits au sein des industries aéronautique, automobile, chimique, électronique, pharmaceutique, de l'énergie, de l'environnement, etc.

Il y a donc lieu de prévoir que les nanotechnologies constitueront une troisième révolution technologique, la première ayant donné naissance à la révolution industrielle, et la deuxième ayant été reliée à la microélectronique.

Domaines et exemples d'applications des nanotechnologies

* Industries automobile et aéronautique : matériaux renforcés par des nanoparticules qui sont plus légers, pneus renforcés par des nanoparticules qui durent plus longtemps et qui sont recyclables, peinture extérieure sur laquelle la saleté n'a pas prise, plastiques ininflammables et peu coûteux, textiles et recouvrements qui se réparent d'eux-mêmes.
*Industries de l'électronique et des communications : enregistrement de données avec des médias utilisant les nanocouches et les points quantiques, écrans plats, technologie sans fil, nouveaux appareils et processus dans tout le domaine des technologies de l'information et des communications, des vitesses de traitement et des capacités d'enregistrement des millions de fois plus rapides et, de plus, moins coûteuses que les méthodes actuelles.
*Industries chimiques et des matériaux : des catalyseurs qui augmentent l'efficacité énergétique des usines de transformation chimique et qui augmentent l'efficacité de la combustion des véhicules moteurs (ce qui va diminuer la pollution), des outils de coupe extrêmement durs et résistants, des fluides magnétiques intelligents pour les lubrifiants et les joints d'étanchéité.
* Industries pharmaceutiques, des biotechnologies et des soins de santé : de nouveaux médicaments basés sur des nanostructures, des systèmes de diffusion des médicaments qui ciblent des endroits précis dans le corps, des matériaux de remplacement biocompatibles avec les organes et les fluides humains, des kits d'autodiagnostic pouvant être utilisés à domicile, des senseurs pour des laboratoires tenant sur une puce, des matériaux pour la regénération des os et des tissus.
* Secteur manufacturier : ingénierie de précision pour la production de nouvelles générations de miscroscopes et d'instruments de mesure, de nouveaux processus et de nouveaux outils pour manipuler la matière au niveau atomique, des nanopoudres incorporées dans des matériaux en vrac avec des propriétés spéciales telles que des senseurs qui détectent les bris imminents et des contrôles en mesure de corriger le problème, autoassemblage de structures à partir de molécules, des matériaux inspirés par la biologie ainsi que des biostructures.
* Secteur de l'énergie : nouveaux types de batteries, photosynthèse artificielle permettant de produire de l'énergie de façon écologique, entreposage sécuritaire de l'hydrogène pour utilisation comme combustible propre, économies d'énergie résultant de l'utilisation de matériaux plus légers et de plus petits circuits.
* Exploration de l'espace : véhicules spatiaux plus légers, production et gestion plus efficace de l'énergie, systèmes robotiques très petits et efficaces.
* Environnement : membranes sélectives qui peuvent filtrer les contaminants ou encore le sel de l'eau, des pièges nanostructurés pour enlever les polluants des rejets industriels, caractérisation des effets des nanostructures sur l'environnement, des réductions importantes dans l'utilisation des matériaux et de l'énergie, réduction des sources de pollution, de nouvelles opportunités pour le recyclage.
* Défense : des détecteurs et des correcteurs d'agents chimiques et biologiques, des circuits électroniques beaucoup plus efficaces, des matériaux et des recouvrements nanostructurés beaucoup plus résistants, des textiles légers et qui se réparent d'eux-mêmes, remplacement du sang, des systèmes de surveillance miniaturisés.»

Notes
2. Le texte est disponible à l'adresse Web http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
3. National Science and Technology Council, National Nanotechnology Initiative : Leading to the Next IndustrialRevolution, op. cit., p. 15.

Source : Conseil de la Science et de la Technologie du Québec, Les nanotechnologies - La maîtrise de l'infiniment petit. Avis. Juin 2001, vi, 79 p. (format PDF)

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