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Selon la définition de Michel Ktitareff, la nanotechnologie (Micro Electro Mechanical Systems ou MEMS en anglais) représente la « création et l’utilisation de materiaux, d’appareils et de systèmes obtenus grâce à un procédé de contrôle de la matière ä l’échelle du milliardième de mètre ou nanomètre. L’essentiel du concept nano est l’auto-assemblage de molécules complexes en agrégats hétérogènes de plus grande taille, capables de remplir une fonction sophistiquée ou de constituer un matériau de type nouveau. Taille exceptée, les MEMS renferment trois avantages non négligeables : ils sont bon marché, inusables en raison de leur faible masse et ne consomment pratiquement aucune énergie.
En lisant les trois avantages mentionnés ci-avant, on peut aisément imaginer que les nanotechnologies pourraient bien venir révolutionner notre environnement de vie dans quelques années dans pratiquement tous les domaines. Selon Michel Orrit, responsable du programme NOI du CNRS publié dans le journal français Les Echos « cela va de la microélectronique et des télécommunications avec la fabrication de composants ultraminiaturisés, à la science des matériaux passant par la physico-chimie et la biologie moléculaire et cellulaire, sans oublier l’agriculture et la sécurité nationale ».
Aujourd’hui, les MEMS sont déjà utilisés dans la fabrication de textiles, peinture, béton à haute performance ainsi que dans les nouvelles émulsions photographiques. Des nanostructures magnétiques équipent les têtes de lecture et d’écriture des disques durs d’ordinateur depuis une quinzaine d’années déjà. Si l’on commercialise déjà certaines applications, la nanotechnologie ne se trouve qu’à ses premiers balbutiements dans le domaine spécifique de l’informatique.
Pourtant, parmi tous les secteurs nanotechnologiques, la microélectronique et l’informatique représentent les deux domaines les plus impliquants aux yeux des multinationales industrielles. Actuellement, les chercheurs de ces groupes planchent sur quatre domaines spécifiques que sont les nanotubes, les fullerènes, le transistor moléculaire et l’ordinateur quantique.
Les nanotubes
Les scientifiques s’intéressent au nanotube de carbone depuis trois ans environ. Ce composant a été découvert en 1991 par Sujio Ijima, un ingénieur du groupe japonais NEC. Le nanotube de carbone représente l’une des matières les plus importantes de la nanotechnologie puisqu’il est 50'000 fois plus fin qu’un cheveu et cent fois plus solide qu’un câble. Grâce à ces caractéristiques, le nanotube peut être plié et déformé sans jamais rompre. Son inventeur a déjà envisagé plus de soixante applications différentes dans des secteurs aussi variés que les diodes, blindages électromagnétiques, écrans plats à émission de champ, pointe de microscopes, etc… Actuellement, trois sociétés se distinguent sur ce marché. Nanoledge est la première entreprise européenne à commercialiser des nanotubes de carbones. Les laboratoires d’IBM ont mis au point une nouvelle technique de placement de nanotubes, ouvrant ainsi la voie vers de nouveaux types de processeurs informatiques – les nano-processeurs en carbone beaucoup plus puissants que le silicium utilisé aujourd’hui. La société Intel envisage la production de micro-réfrigérateurs afin de résoudre le problème crucial de l’échauffement des composants électroniques dû à l’intégration de plus en plus poussée de puces dans un volume constant.
Les fullerènes
Les fullerènes se composent d’atomes de carbone dont la forme et l’aspect géométrique ressemblent à un ballon de football. Grâce à leur utilisation, le groupe NEC est capable de fabriquer une nouvelle génération de piles à combustible permettant de convertir en énergie électrique la réaction chimique entre un combustible (p.ex. hydrogène) et un carburant (p.ex. oxygène). Cette nouvelle génération de pile offre une capacité dix fois plus élevée que celle des batteries au lithium qui équipent actuellement nos ordinateurs portables. Le secteur des télécommunications présente un terrain encore bien plus fertile pour cette application. Nos portables pourraient fonctionner un mois entier sans être rechargés grâce au fullerène. Cette perspective a de quoi nous faire rêver ;-). Autre avantage non négligeable en cette période où l’aspect écologique devient de plus en plus important pour préserver la vie sur la planète, ces batteries ne génèrent aucune substance polluante puisqu’elles ne rejettent que de l’eau. Les chercheurs de NEC estiment que la production de telles piles pourrait démarrer à partir de l’an prochain. Les USA ne sont pas en reste puisque le groupe Motorola planche sur l’élaboration d’une pile destinée à recharger une batterie traditionnelle, en cas de besoin, en utilisant du gaz méthane comme carburant.
Le transistor moléculaire
Les laboratoire Bell ont développé le transistor moléculaire (organic nanotransistor) qui se compose d’éléments de carbone capables d’effectuer des tâches identiques à celles d’un transistor normal, soit amplifier un signal et aiguiller des informations. Le principal avantage du transistor moléculaire réside dans sa taille infiniment petite. Le transistor moléculaire est un million de fois plus petit qu’un grain de sable. D’après Bell Labs, ce composant devrait à terme remplacer plusieurs milliers de transistors traditionnels tout en prenant moins de place et en fonctionnant de façon beaucoup plus rapide.
L’ordinateur quantique
Une équipe du MIT (Massachussets Institute of Technology) et celle du laboratoire national de Los Alamos ont fait fonctionner pour la première fois au monde, en mars 2002, un prototype d’ordinateur quantique. Dans une telle machine, les atomes de carbone, d’hydrogène, de souffre et de brome font le travail habituellement effectué par la mémoire et le processeur d’un ordinateur traditionnel. Les noyaux moléculaires orientés à l’aide d’ondes radio dont on module la fréquence sont transformés en bits quantiques (qubits), et ont permis aux chercheurs d’effectuer des calculs simples. De nombreux groupes de recherche, dont IBM, se sont également lancé dans la course au développement d’ordinateurs quantiques mais réellement personne n’a actuellement d’idée précise de la structure que pourrait adopter au final un ordinateur quantique, ni du délai nécessaire à sa réalisation et à sa production.
Découvertes controversées
Comme c’est souvent le cas lors de découvertes technologiques importantes, les nanotechnologies suscitent la controverse. Dans un article intitulé « Why the future doesn’t need us » paru en avril 2000 dans la revue américaine Wired, Bill Joy, ancien carismatique directeur en chef de la recherche auprès de Sun Microsystems, estime « que les technologies les plus irresistibles du 21e siècle font peser une menace d’une nature foncièrement différente de celle des technologies antérieures. Concrètement, les robots, les OGM et les nanorobots […] sont unis par un redoutable facteur commun aggravant : ils ont la capacité de s’autoreproduire. Une bombe n’explose qu’une fois ; un robot, en revanche, peut se démultiplier et rapidement échapper à tout contrôle. […] L’évidente fragilité et les insuffisances des systèmes créés par la main de l’homme devraient nous inciter à marquer une pause. […] L’heure est venue de faire un choix entre la recherche de la croissance illimitée et mal dirigée au moyen de la science et de la technologie et celle des clairs dangers qui l’accompagnent. » Selon Joy, « Les institutions et la race humaine sont menacées par la vitesse du progrès [car] n’importe quel individu mal intentionné pourrait inventer de nouveaux fléaux en dehors de tout contrôle. »
Que nous réserve le futur ?
Ce point de vue est naturellement fortement critiqué par les chercheurs mais à contribué à relancer le vieux débat récurant sur la responsabilité des scientifiques, sans limiter leur enthousiasme pour les nanotechnologies. Cet enthousiasme s’est matérialisé à l’échelon planétaire à Boston en novembre 2001, lors de la première conférence mondiale sur les nanotechnologies. Selon Eric Drexler, pionnier des nanotechnologies et professeur du Foresight Institut : « Les nanotechnologies ne vont pas améliorer le monde industriel tel qu’il existe ; elles vont tout simplement le remplacer. » Selon Larry Bock, président de la société Nanosys, « dans quelques années, nous fabriquerons des équipement s dont la densité sera 100'000 fois plus élevée qu’aujourd’hui, 10'000 fois plus puissants et 10'000 fois moins consommateurs d’énergie ». Vers l’horizon 2010, les nanotechnologies devraient être devenues une véritable industrie. La Maison Blanche évalue le chiffre d’affaires annuel à 350 milliards de dollars pour les biens d’équipement, 300 milliards de dollars pour l’électronique. Les prévisionnistes annoncent la reproduction des nanoparticules pour les années 2040-2050.
Ces quelques chiffres illustrent l’importance future de ce secteur qui se trouve toujours aujourd’hui en phase de balbutiement. Son succès dépendra – comme cela a été le cas pour la microélectronique – de l’étroitesse de la collaboration entre les chercheurs et les industriels.
Encadré :
Lexique :
Nano : Dérivé du grec « nannos » qui signifie nain, le préfixe « nano », placé devant le nom d’une unité, indique la présence du facteur 10-9, soit une unité un milliard de fois plus petite que la valeur initiale.
Mems : Micro Electro Mechanical Systems
MOEMS: Micro Opto Electromechanical Systems
GNR: Génie génétique, Nanotechnologie, Robotique
Fin encadré.
Encadré :
Les nanotechnologies vues par la science-fiction et la littérature :
La notion de nanotechnologie a été évoquée dès 1959 par Richard Feynman au congrès annuel de l’American Physical Society. Selon ce dernier, on ne voyait rien dans les principes de la physique qui interdise de pouvoir manœuvrer des objets atome par atome ; il ne s’agissait de violer aucune loi ; c’était quelque chose qui pouvait être fait en théorie mais qui ne l’avait pas épté en pratique à cause de notre trop grande taille. Ce constat révolutionnaire n’a pas reçu l’attention qu’il méritait avant les années huitante, lorsque K. Eric Drexler, inventeur du terme « nanotechnologie » a publié un article sur la manipulation moléculaire. Celui-ci a donné le départ à d’autres études sur la nanotechnologie moléculaire, aujourd’hui considérée comme une technologie d’avenir. Les perspectives qu’elle ouvre valent à la nanotechnologie une place de choix dans les œuvres littéraires et cinématographiques de science-fiction. Elle fait partie intégrante de films d’anticipation aussi connus que « le cinquième élément de Luc Besson, la trilogie des « Terminators » et des « Matrix » et les multiples films de « Star Trek ». On trouve dans ce dernier des nanorobots, les « nanites », décrits dans « Star Trek Science ». « Star Trek » utilise également la nanotechnologie dans le cadre médical. Dans le livre intitulé « Trader’s world », Charles Sheffield décrit de façon détaillée différents gadgets technologiques affiliés aux nanotechnologies. Mais c’est sûrement dans « The diamond Age » (l’âge de diamant) de Neal Stephenson que l’on trouve la meilleure description d’un monde futur reposant sur l’utilisation extensive de la nanotechnologie. Ce livre décrit la ville de Shanghai au milieu du 21e siècle, où la nanotechnologie entre dans toutes les applications imaginables, en relation étroites avec les idées de Drexler. Mais Stephensen va plus loin que Drexler en tenant à mettre en garde le lecteur contre les dangers possibles de la nanotechnologie par l’évocation de lanceurs de nanoprojectiles activés par la voix ou de la guerre nanotechnologique.
Fin encadré.
En lisant les trois avantages mentionnés ci-avant, on peut aisément imaginer que les nanotechnologies pourraient bien venir révolutionner notre environnement de vie dans quelques années dans pratiquement tous les domaines. Selon Michel Orrit, responsable du programme NOI du CNRS publié dans le journal français Les Echos « cela va de la microélectronique et des télécommunications avec la fabrication de composants ultraminiaturisés, à la science des matériaux passant par la physico-chimie et la biologie moléculaire et cellulaire, sans oublier l’agriculture et la sécurité nationale ».
Aujourd’hui, les MEMS sont déjà utilisés dans la fabrication de textiles, peinture, béton à haute performance ainsi que dans les nouvelles émulsions photographiques. Des nanostructures magnétiques équipent les têtes de lecture et d’écriture des disques durs d’ordinateur depuis une quinzaine d’années déjà. Si l’on commercialise déjà certaines applications, la nanotechnologie ne se trouve qu’à ses premiers balbutiements dans le domaine spécifique de l’informatique.
Pourtant, parmi tous les secteurs nanotechnologiques, la microélectronique et l’informatique représentent les deux domaines les plus impliquants aux yeux des multinationales industrielles. Actuellement, les chercheurs de ces groupes planchent sur quatre domaines spécifiques que sont les nanotubes, les fullerènes, le transistor moléculaire et l’ordinateur quantique.
Les nanotubes
Les scientifiques s’intéressent au nanotube de carbone depuis trois ans environ. Ce composant a été découvert en 1991 par Sujio Ijima, un ingénieur du groupe japonais NEC. Le nanotube de carbone représente l’une des matières les plus importantes de la nanotechnologie puisqu’il est 50'000 fois plus fin qu’un cheveu et cent fois plus solide qu’un câble. Grâce à ces caractéristiques, le nanotube peut être plié et déformé sans jamais rompre. Son inventeur a déjà envisagé plus de soixante applications différentes dans des secteurs aussi variés que les diodes, blindages électromagnétiques, écrans plats à émission de champ, pointe de microscopes, etc… Actuellement, trois sociétés se distinguent sur ce marché. Nanoledge est la première entreprise européenne à commercialiser des nanotubes de carbones. Les laboratoires d’IBM ont mis au point une nouvelle technique de placement de nanotubes, ouvrant ainsi la voie vers de nouveaux types de processeurs informatiques – les nano-processeurs en carbone beaucoup plus puissants que le silicium utilisé aujourd’hui. La société Intel envisage la production de micro-réfrigérateurs afin de résoudre le problème crucial de l’échauffement des composants électroniques dû à l’intégration de plus en plus poussée de puces dans un volume constant.
Les fullerènes
Les fullerènes se composent d’atomes de carbone dont la forme et l’aspect géométrique ressemblent à un ballon de football. Grâce à leur utilisation, le groupe NEC est capable de fabriquer une nouvelle génération de piles à combustible permettant de convertir en énergie électrique la réaction chimique entre un combustible (p.ex. hydrogène) et un carburant (p.ex. oxygène). Cette nouvelle génération de pile offre une capacité dix fois plus élevée que celle des batteries au lithium qui équipent actuellement nos ordinateurs portables. Le secteur des télécommunications présente un terrain encore bien plus fertile pour cette application. Nos portables pourraient fonctionner un mois entier sans être rechargés grâce au fullerène. Cette perspective a de quoi nous faire rêver ;-). Autre avantage non négligeable en cette période où l’aspect écologique devient de plus en plus important pour préserver la vie sur la planète, ces batteries ne génèrent aucune substance polluante puisqu’elles ne rejettent que de l’eau. Les chercheurs de NEC estiment que la production de telles piles pourrait démarrer à partir de l’an prochain. Les USA ne sont pas en reste puisque le groupe Motorola planche sur l’élaboration d’une pile destinée à recharger une batterie traditionnelle, en cas de besoin, en utilisant du gaz méthane comme carburant.
Le transistor moléculaire
Les laboratoire Bell ont développé le transistor moléculaire (organic nanotransistor) qui se compose d’éléments de carbone capables d’effectuer des tâches identiques à celles d’un transistor normal, soit amplifier un signal et aiguiller des informations. Le principal avantage du transistor moléculaire réside dans sa taille infiniment petite. Le transistor moléculaire est un million de fois plus petit qu’un grain de sable. D’après Bell Labs, ce composant devrait à terme remplacer plusieurs milliers de transistors traditionnels tout en prenant moins de place et en fonctionnant de façon beaucoup plus rapide.
L’ordinateur quantique
Une équipe du MIT (Massachussets Institute of Technology) et celle du laboratoire national de Los Alamos ont fait fonctionner pour la première fois au monde, en mars 2002, un prototype d’ordinateur quantique. Dans une telle machine, les atomes de carbone, d’hydrogène, de souffre et de brome font le travail habituellement effectué par la mémoire et le processeur d’un ordinateur traditionnel. Les noyaux moléculaires orientés à l’aide d’ondes radio dont on module la fréquence sont transformés en bits quantiques (qubits), et ont permis aux chercheurs d’effectuer des calculs simples. De nombreux groupes de recherche, dont IBM, se sont également lancé dans la course au développement d’ordinateurs quantiques mais réellement personne n’a actuellement d’idée précise de la structure que pourrait adopter au final un ordinateur quantique, ni du délai nécessaire à sa réalisation et à sa production.
Découvertes controversées
Comme c’est souvent le cas lors de découvertes technologiques importantes, les nanotechnologies suscitent la controverse. Dans un article intitulé « Why the future doesn’t need us » paru en avril 2000 dans la revue américaine Wired, Bill Joy, ancien carismatique directeur en chef de la recherche auprès de Sun Microsystems, estime « que les technologies les plus irresistibles du 21e siècle font peser une menace d’une nature foncièrement différente de celle des technologies antérieures. Concrètement, les robots, les OGM et les nanorobots […] sont unis par un redoutable facteur commun aggravant : ils ont la capacité de s’autoreproduire. Une bombe n’explose qu’une fois ; un robot, en revanche, peut se démultiplier et rapidement échapper à tout contrôle. […] L’évidente fragilité et les insuffisances des systèmes créés par la main de l’homme devraient nous inciter à marquer une pause. […] L’heure est venue de faire un choix entre la recherche de la croissance illimitée et mal dirigée au moyen de la science et de la technologie et celle des clairs dangers qui l’accompagnent. » Selon Joy, « Les institutions et la race humaine sont menacées par la vitesse du progrès [car] n’importe quel individu mal intentionné pourrait inventer de nouveaux fléaux en dehors de tout contrôle. »
Que nous réserve le futur ?
Ce point de vue est naturellement fortement critiqué par les chercheurs mais à contribué à relancer le vieux débat récurant sur la responsabilité des scientifiques, sans limiter leur enthousiasme pour les nanotechnologies. Cet enthousiasme s’est matérialisé à l’échelon planétaire à Boston en novembre 2001, lors de la première conférence mondiale sur les nanotechnologies. Selon Eric Drexler, pionnier des nanotechnologies et professeur du Foresight Institut : « Les nanotechnologies ne vont pas améliorer le monde industriel tel qu’il existe ; elles vont tout simplement le remplacer. » Selon Larry Bock, président de la société Nanosys, « dans quelques années, nous fabriquerons des équipement s dont la densité sera 100'000 fois plus élevée qu’aujourd’hui, 10'000 fois plus puissants et 10'000 fois moins consommateurs d’énergie ». Vers l’horizon 2010, les nanotechnologies devraient être devenues une véritable industrie. La Maison Blanche évalue le chiffre d’affaires annuel à 350 milliards de dollars pour les biens d’équipement, 300 milliards de dollars pour l’électronique. Les prévisionnistes annoncent la reproduction des nanoparticules pour les années 2040-2050.
Ces quelques chiffres illustrent l’importance future de ce secteur qui se trouve toujours aujourd’hui en phase de balbutiement. Son succès dépendra – comme cela a été le cas pour la microélectronique – de l’étroitesse de la collaboration entre les chercheurs et les industriels.
Encadré :
Lexique :
Nano : Dérivé du grec « nannos » qui signifie nain, le préfixe « nano », placé devant le nom d’une unité, indique la présence du facteur 10-9, soit une unité un milliard de fois plus petite que la valeur initiale.
Mems : Micro Electro Mechanical Systems
MOEMS: Micro Opto Electromechanical Systems
GNR: Génie génétique, Nanotechnologie, Robotique
Fin encadré.
Encadré :
Les nanotechnologies vues par la science-fiction et la littérature :
La notion de nanotechnologie a été évoquée dès 1959 par Richard Feynman au congrès annuel de l’American Physical Society. Selon ce dernier, on ne voyait rien dans les principes de la physique qui interdise de pouvoir manœuvrer des objets atome par atome ; il ne s’agissait de violer aucune loi ; c’était quelque chose qui pouvait être fait en théorie mais qui ne l’avait pas épté en pratique à cause de notre trop grande taille. Ce constat révolutionnaire n’a pas reçu l’attention qu’il méritait avant les années huitante, lorsque K. Eric Drexler, inventeur du terme « nanotechnologie » a publié un article sur la manipulation moléculaire. Celui-ci a donné le départ à d’autres études sur la nanotechnologie moléculaire, aujourd’hui considérée comme une technologie d’avenir. Les perspectives qu’elle ouvre valent à la nanotechnologie une place de choix dans les œuvres littéraires et cinématographiques de science-fiction. Elle fait partie intégrante de films d’anticipation aussi connus que « le cinquième élément de Luc Besson, la trilogie des « Terminators » et des « Matrix » et les multiples films de « Star Trek ». On trouve dans ce dernier des nanorobots, les « nanites », décrits dans « Star Trek Science ». « Star Trek » utilise également la nanotechnologie dans le cadre médical. Dans le livre intitulé « Trader’s world », Charles Sheffield décrit de façon détaillée différents gadgets technologiques affiliés aux nanotechnologies. Mais c’est sûrement dans « The diamond Age » (l’âge de diamant) de Neal Stephenson que l’on trouve la meilleure description d’un monde futur reposant sur l’utilisation extensive de la nanotechnologie. Ce livre décrit la ville de Shanghai au milieu du 21e siècle, où la nanotechnologie entre dans toutes les applications imaginables, en relation étroites avec les idées de Drexler. Mais Stephensen va plus loin que Drexler en tenant à mettre en garde le lecteur contre les dangers possibles de la nanotechnologie par l’évocation de lanceurs de nanoprojectiles activés par la voix ou de la guerre nanotechnologique.
Fin encadré.
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