Une personne qui n'a jamais commis d'erreurs n'a jamais tenté d'innover. Albert Einstein

Les nanotechnologies

Les sciences et techniques du minuscule s’imposent

jeudi 26 février 2009
par Bialis Team

Du grec « nanos » qui veut dire « nain » le nanomètre (nm) désigne un milliardième de mètre (10^-9 m).

Le nanomètre se visualise par rapport au mètre :
comme le diamètre d’un atome par rapport au celui d’une pomme
ou comme le diamètre d’un ballon de foot par rapport à celui de la terre.

Nanotechnologie est le terme générique pour les sciences et les technologies qui se consacrent à la compréhension, au développement et à la fabrication d’objets, de structures et de machines naturelles dont la taille est comprise entre 1 et 100 nm.

L’échelle de nanomètres est celle des atomes et des molécules. Le terme « nanoparticule » est utilisé pour désigner l’association d’au maximum quelques milliers d’atomes ou molécules. Les nanoparticules peuvent être d’origines chimiques différentes, c’est à dire de nature organique ou anorganique. Elles peuvent être constitués d’un élément unique (ex : carbone, métal) ou de composés plus complexes (ex : oxydes métalliques).

Dès 1974, le japonais Norio Taniguchi de l’université des sciences de Tokyo définie une nanotechnologie "comme un processus de réorganisation de la matière atome par atome ou molécule par molécule". Les nanotechnologies qui s’appuient donc sur l’ingénierie atomique et moléculaire trouvent de nombreuses applications dans tous les domaines - une révolution industrielle est en marche.

En 1971, le premier microprocesseur sur le marché contenait 2300 transistors. En 2003, ce nombre a atteint les 100 millions sans que les dimensions de puces ne changent.

Le tableau ci-dessous montre quelques exemples de produits basés sur les nanotechnologies et que l’on trouve déjà couramment dans notre vie quotidienne.

Domaine	Exemples de produits impliquant des nanotechnologies
Santé et cosmétique	Pansements, test de grossesse, pâte dentifrice, filtre à air, crème solaire, lotion corporelle, soin visage, rouge à lèvre, crèmes anti-âge, tissu antibactérien, implants, prothèses, reconstitution de cartilages, imagerie médicale
Sport	Raquette et balles de tennis, cannes et balles de golf, Skis, vêtements d’alpinisme
Maison et jardin	Peinture, vernis, tissu antibactérien et résistant à la teinture, produits de nettoyage et d’imperméabilisation, panneaux solaires,
Alimentation et boisson	Huile de colza, couches non collants de casseroles
Ordinateur, électronique et opto-électronique	Ecrans, puces, circuits intégrés, support de stockage de l’information
Autres	Produits de finition, lubrifiants, catalyseurs sur mesure, dispositifs de télédétection et de veille à distance céramiques, piles à combustible, emballages imperméables, poudres antibactériennes,

Développement des applications de nanotechnologies

De nouveaux produits basés sur les nanotechnologies font chaque jour leur apparition.
Ainsi par exemple le PEN (Project on Emerging Nanotechnologies) qui comptait 212 produits issus des nanotechnologies dans sa base de données en 2006, en répertorie 803 en août 2008.

Les nanotubes de carbone jouent un rôle déterminant pour le développement des nanotechnologies.
Découvert en 1991 par le japonais Sumio Iijima, les nanotubes de carbone sont des structures dont la paroi est faite d’un ou plusieurs feuillets d’atomes de carbone arrangés en réseau hexagonal. La variété la plus intéressante, le nanotube monoparoi, est découverte en 1993 toujours par Sumio Iijima.
Alors que le diamètre des nanotubes de carbone reste de l’ordre du nanomètre, leur longueur peut atteindre des dimensions macroscopiques exprimées en millimètres ou en centimètre.Selon leur diamètre et leur degré d’hélicité (façon d’enrouler leur surface hexagonale) on peut en faire varier les propriétés mécaniques, électriques ou thermiques. Ils présentent d’intéressantes propriétés mécaniques puisqu’ils sont à la fois résistants le long de leur axe, très flexibles et léger. Coté électrique ils peuvent faire d’excellents conducteur ou semi-conducteur. Parmi les descendants directs des nanotubes de carbones : les fibres de carbone, les diodes, les transistors, les électrodes, les films de protection, les films conducteurs.

Les nanomatériaux les plus courants

Les nanomatériaux les plus souvent cités dans les descriptions parmi 803 produits sont l’argent (235 produits, ex : emballage des aliments, produits de désinfection, vêtements, désinfectants et appareils électroménagers), le carbone (71 produits, ex : pneus, vélos, raquettes de tennis), le zinc et l’oxyde de zinc (29 produits, ex : cosmétiques, écrans solaires, vernis, peintures, produits de finition), le silice (31 produits, ex : processeurs, peinture anti graffiti, produits cosmétiques), le titane et le dioxyde de titane (38 produits) et enfin l’or (16 produits) (source : PEN, 2008).

Les nanomatériaux les plus courants peuvent être organisés suivant quatre types :

carbone : Les molécules de carbone forment des sphères, des ellipsoïdes ou des tubes. Le terme "fullerènes" désignent des nanomatériaux sphériques et ellipsoïdaux tandis que "nanotubes" fait référence aux formes cylindriques. Les particules à base de carbone trouvent des applications en finition, enrobage, photographie, dans les matériaux plus résistants et plus légers.
métallique : Ces matériaux comprennent des oxydes métalliques, de l’or, de l’argent et les "quantum dots" qui sont des semiconducteurs cristallins d’une taille variant de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres et dont la dimension est déterminante pour leurs propriétés optiques.
dendrimères (du grèc "dendron" - arbre) : Ces matériaux sont fabriqués à partir d’unités de base ramifiées et forment des branches. La surface d’un dendrimère est caractérisé par la présence des nombreux bouts de branches. Ces bouts peuvent avoir des fonctions chimiques spécifiques (catalyseur, hydrophilie ou hydrophobie). Les dendrimères peuvent aussi présenter des cavités dans lesquelles d’autres molécules pourront être transportés, une propriété très recherché pour par exemple l’administration d’un médicament.
composites : Ils combinent des nanoparticules avec d’autres nanoparticules ou avec des composés macroscopiques afin d’améliorer les propriétés mécaniques ou thermiques. Au moins un composé doit exister sous forme de nanoparticules pour que le terme de composite soit justifié.

La fabrication - les approches "bottom-up" et "top-down"

Les techniques de fabrication des nanomatériaux ciblent la création de structures aux propriétés recherchées comme par exemple une plus haute réactivité ou capacité d’absorption.

On peut distinguer les approches "bottom-up" et "top-down" pour la fabrication des nanomatériaux :

Pour la fabrication top-down, on commence avec un grand morceau de matière qui est gravé, moulu ou coupé pour obtenir des structures plus petites de l’ordre du nanomètre. C’est ainsi que la lithographie et les processus d’ingénierie de précision se sont développés ces trois dernières décennies, notamment au travers de l’industrie des semi-conducteurs.
Typiquement pour l’approche bottom-up, de grands paquets d’atomes, molécules ou particules sont arrangées dans la structure désirée. Plus rarement, les atomes sont placés un par un. On peut s’attendre au fait que la technique atome par atome bouleverse considérablement les processus de fabrication industrielle.

Pendant les années 50, le processus de bottom-up était limité à la création de structures de dimensions comprise entre 0,5 et 5 nm (nanomètre) tandis que la technologie de top-down produisait des structures plus macroscopiques entre 1 et 100 µm. A cette époque, aucun des deux processus ne conduisait à la production de particules de dimensions comprise entre 5 nm et 1 µm.
Les évolutions ont permis pour les deux approches la production de nanoparticules aux dimensions comprises entre 1 et 100 nm et aboutissent aux méthodes hybrides de manufacture (source : Royal Society).

Le nanomètre

Le nanomètre qui désigne le milliardième de mètre (10^-9 m) se visualise par rapport au mètre comme le diamètre d’un atome par rapport au celui d’une pomme ou comme le diamètre d’un ballon de foot par rapport à celui de la terre.

Le tableau suivant permet de mieux situer le nanomètre :

**Repères et ordre de grandeur du centimètre au nanomètre**
Ordre de grandeur		Repères
10^-2 m = 1 cm = 0,01m	10 000 000 nm	Le centimètre
10^-3 m = 1 mm = 0,001 m	1 000 000 nm	Le millimètre
	100 nm à 750 000 nm	Bactérie
50 μm	50 000 nm	Cheveu
10 μm	10 000 nm	Cellule humaine
	7 000 à 8 000 nm	Globule rouge
10^-6 m = 1 μm = 0,000001 m	1 000 nm	Le micromètre Noyau de la cellule humaine
	18 nm à 400 nm	Virus
	<180 nm	Micro puce semi-conductrice
	100 nm	Barrière admise entre micro et nano
	< 60 nm	Les nanoparticules peuvent traverser les membranes cellulaires et pores
	10 nm	Nanotransistor
	6 nm - 10 nm	Membrane cellulaire ou cytoplasmique
	< 4 nm	Les nanoparticules peuvent traverser la barrière entre le sang et le cerveau au niveau du nerf olfactif
	2 nm	Hélice d’ADN
10^-9m = 1 nm = 0,000000001 m	1 nm	Le nanomètre La molécule C60 (fullerènes) : le plus petit « ballon de football » moléculaire
0,3 nm	0,3 nm	Molécule d’eau
0,1 nm	0,1 nm	Atome d’hydrogène

Propriétés des nanoparticules

Tous les composés qui prennent l’état solide, liquide ou gazeux selon les conditions de pression et de température, ont des propriétés mécanique, électrique, magnétique ou encore optique. A l’échelle de nanomètre, les lois de la physique quantique rentrent en jeu, les propriétés des matériaux changent et les propriétés de surface commencent à dominer le comportement des matériaux.
Grâce à leurs dimensions minuscules, les nanoparticules peuvent être très mobiles, se déplacer facilement et traverser de fines membranes organique ou non.

Plus une particule est petite en taille, plus son rapport surface / volume devient important. En dessous d’environ 100 nm, le rôle de la surface devient de plus en plus important ce qui a un effet sur les propriétés chimiques et physiques des particules. Grâce à leur surface importante par rapport au volume, les nanoparticules ont tendance à être plus réactives que leurs équivalents dans des dimensions à notre échelle. La surface importante des nanoparticules peut absorber et transporter d’autres composés, une propriété qui est particulièrement recherchée pour des applications en médecine, chimie et biotechnologie.

La perception des nanotechnologies

En France

En France, 55% de la population connait la notion de nanotechnologie en comparaison avec 44% en moyenne de l’Union Européenne des 25 (hors Bulgarie et Roumanie). 66% des Français conviennent que la nanotechnologie devrait être soutenue (55% pour l’UE des 25) (source : Eurobarometer, 2005).

En Europe

Le portrait des Européens établi par le sondage d’Eurobarometer en 2005 montre des Européens mieux informés, plus confiants et plus optimistes avec les nouvelles technologies par rapport aux années précédentes (biotechnologie, génie génétique, nanotechnologie, thérapie génétique). Alors que 82% des Européens pensent que les technologies de l’information et les ordinateurs vont améliorer leur style de vie, les chiffres indiquent que 40 % des Européens sont optimistes vis à vis de la contribution de la nanotechnologie au style de vie contre 5 % de pessimistes, 13 % qui ne prévoient aucun effet et 42 % qui n’ont pas d’avis à ce sujet (source : Eurobarometer 2005).

La réception des nanotechnologies par les publics européens, des Etats Unis et du Canada suivent la même tendance. 70% des Européens pensent que la nanotechnologie améliorera leur style de vie dans les 20 ans qui viennent (USA : 71%, Canada : 68%). Ci-dessous les réponses moyennes de différents groupes de trois provenances citées sur une échelle de 0 à 10 (où 10 est égal au plus grand accord avec le constat).

	Europe	US	Canada
Utile pour la société	7.19	6.80	6.73
Risqué	4.23	4.28	4.66
Moralement acceptable	7.07	7.08	6.59
Confiance dans la régulation actuelle	5.29	4.83	4.69
source : Eurobarometer 2005

Aspects positifs

- Les nanotechnologies ont le potentiel de croissance le plus fort pour les décennies à venir et devraient continuer à bouleverser nos habitudes.

- Les nanotechnologies affectent très fortement notre style de vie au travers d’une large gamme d’applications à moyen et long terme parmi lesquelles : de nouvelles solutions médicales, de nouveaux outils de diagnostics, des moyens de production, de transmission et de stockage d’énergie plus efficaces. La possibilité de réaliser des matériaux à la fois plus résistants et plus légers trouve de nombreuses applications.

- La Société Royale britannique recommande pour l’évaluation d’une application en nanotechnologie, une approche axée sur l’ensemble des étapes du cycle de vie du produit (life cycle approach) tenant compte des risques et bénéfices. Ceci pourra permettre de s’assurer que l’économie de ressources à l’utilisation du produit n’est pas neutralisée par une consommation plus importante pendant d’autres étapes liées à sa fabrication ou son recyclage.

Aspects négatifs

-Limite des connaissances du grand public, limite des règlementations et peu d’informations disponible sur les risques réels associés aux applications de nanotechnologies d’aujourd’hui.

-Actuellement, bien que des études soient en cours, bien que des propositions soient avancées, il n’existe pas de méthode adapté et pertinente pour l’évaluation au quotidien des risques liés aux nanotechnologies.

Contraintes

- Incertitudes et limite des connaissances sur les progrès et risques associés aux applications de nanotechnologies : Il existe peu d’information pour évaluer les effets d’exposition de l’environnement aux nanomatériaux les plus communs. On peut trouver des exagérations positives ou négatives, souvent revendiquées sans étude scientifique exhaustive et donc ne rendant service ni à cette technologie émergente, ni au consommateur.
En 2003, l’association des scientifiques ETC Group a demandé un moratoire pour la production et la libération des nanomatériaux afin de permettre un débat public et de mettre en place des régulations qui protègent à la fois consommateurs, employés et environnement.
En 2004, la Société Royale britannique et l’Académie Royale britannique de l’Ingénierie ont publié un rapport afin de demander une plus forte régulation de la nanotechnologie et proposer leurs recommandations à ce propos. Selon eux, l’utilisation des nanoparticules sans fixation en matrice dans les applications environnementales comme par exemple l’assainissement devrait rester interdite jusqu’à ce qu’il soit démontré que les bénéfices compensent les risques potentiels.

Il a été montré que l’exposition à des particules ultra fines, de mêmes dimensions que les nanoparticules, peut avoir des impacts négatifs sur la santé (ex : particules générés par la combustion du gazole). En effet, sans régulation et contrôle rigoureux, certains nanomatériaux peuvent se disperser dans l’air ou dans l’eau et atteindre ainsi les écosystèmes aquatiques et terrestres auxquels nous appartenons. Leur haute durée de vie, leur mobilité et leur réactivité soulève la question de leur destin une fois libéré dans l’environnement. Les rapports disponibles sur l’évaluation des risques liés aux nanotechnologies soulignent la possibilité d’une accumulation de ces particules dans la chaine alimentaire, la nourriture et les organismes vivants. Une inquiétude particulière a été exprimée concernant l’inhalation des particules par les ouvriers actifs dans la production des nanoparticules (ex : rapport de la Société Royale britannique, 2004). En effet, par inhalation, de telles particules pourraient faire leur chemin dans les poumons ou d’autres organes. La mobilité de certains nanomatériaux peut être exploitée dans les organismes vivants et être utile par exemple pour la livraison ciblées de médicaments. Des tests et des contrôles rigoureux restent indispensable afin de parvenir à la maitrîse requise pour éviter tout impact non-désiré notamment dans le cas d’utilisation pour d’autres applications. Les méthodes et concepts de la toxicologie devront activement éclaircir les opportunités et les risques associés aux applications de la nanotechnologie en particulier pour les domaines de la médecine et de l’alimentation.

Les connaissances limitées sur le sujet des nanotechnologies, les craintes exprimés par les scientifiques devraient stimuler l’investissement dans la recherche sur la santé humaine et la sécurité.

Axes de réflexion

- La diversité, la complexité et les multiples applications potentielles des différents types de nanomatériaux ne simplifient pas l’évaluation des risques. Quels sont les éléments clés permettant d’évaluer les risques associés à certaines nanoparticules : risque d’exposition, santé humaine, impacts environnementaux ?

- La petite taille des nanoparticules pose le problème de leur détection et de leur analyse. Le risque lié aux nanoparticules peut être évalué différemment selon qu’elles soient fixe, mobile, soluble ou non. Quels moyens doit on déployer pour un contrôle rigoureux des produits qui circuleront

- Malgré leur commercialisation rapide, il n’existent pas ou peu de régulations nationales ou internationales spécifiques aux nanotechnologies dans le monde. Quelles sont les organismes engagées dans l’élaboration de ces régulations ?

Le règlement européen REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) concerne l’enregistrement, l’évaluation et l’autorisation des substances chimiques et offre également un cadre pour répertorier les nanomatériaux. Il règlemente également les restrictions applicables à ces substances. Comment sont prises, appliquées et contrôlées les mesures destinées à protéger la santé humaine et l’environnement face aux risques que peuvent poser les substances des nanotechnologies ?

Quelles contraintes doivent être prise en compte dans la gestion d’une croissance exponentielle du marché des nanotechnologies ?

Perspectives

Quelles applications pour le futur ?

Electronique et IT

Dans aucun autre secteur, la tendance à la miniaturisation n’est si apparente que dans les technologies de l’information (IT), les technologies de communication et l’électronique.
La miniaturisation et ainsi les nanotechnologies restent une forte force motrice pour le développement des nouvelles générations de puces électroniques.

Dans les secteur d’IT et de l’électronique, de fort progrès en recherche et développement sont encore attendus pour :

- le stockage d’information (augmentation en densité de mémoire)

la miniaturisation des senseurs y compris l’alimentation en énergie et le mode de perception

le secteur d’opto-électronique : développement des cristaux photoniques et de l’informatique optique

les secteurs de l’électronique basé sur le plastique (développement de matières plastiques destinées à servir de conducteurs)

Sciences de la Vie

En synergie avec la biotechnologie, les nanotechnologies offrent la possibilité d’étudier l’expression de gènes et de protéines au travers des puces. La sensibilité, taille et facilité d’analyse des ces puces sont constamment améliorées.
L’amélioration des études portant sur les caractéristiques des fluides contenant des nanoparticules (en anglais nanofluids) pourraient aboutir aux technologies "Lab on a chip" qui sont utilisées pour le diagnostic de maladies en intervenant à l’échelle du nanomètre. Ces technologies devraient trouver de multiples applications notamment pour la détection de substances chimiques et biologiques.

En médecine les attentes de nanotechnologies sont fortement exprimées pour la lutte contre le cancer avec le développement de nouveaux médicaments, de transporteurs de composants actifs, de thérapies et d’outils de diagnostics.

A suivre aussi le développement de :

l’usage des molécules biologiques (ADN, protéines) comme conducteurs électriques

des nouveau vecteurs non viraux pour la thérapie génique et l’administration des médicaments

l’imagerie médicale

nouvelles greffes et prothèses

Environnement

Les nanotechnologies peuvent contribuer à la protection de l’environnement en adressant la durabilité des ressources naturelles :
- L’eau : Améliorer la qualité et la disponibilité d’eau par une filtration plus efficace permettant le recyclage ou le dessalement. Par exemple, des condensateurs (flow-through capacitor, FTC) ont été développés afin de dessaler l’eau de mer en utilisant une fraction de l’énergie des systèmes de distillation ou d’osmose.
- L’énergie : La nanotechnologie a le potentiel de réduire la demande d’énergie par l’usage de matériaux plus légers pour des véhicules, plus efficaces dans le contrôle de température, la conductivité et la transmission des signaux.

Les nanotechnologies participent au développement des énergies renouvelables au travers des systèmes photovoltaïques composés des quantum dots et des nanotubes.

Il existe déjà des applications dans lesquelles on remplace des composants toxiques par des nanomatériaux comme par exemple dans le cas de la substitution de soudure contenant classiquement du plomb par des adhésifs conducteurs et des diodes électro-luminescentes organiques (DELO ou LED en anglais) qui n’utilisent ni plomb ni mercure.
Grâce à leur réactivité chimique et leur capacité de transporteur, les nanomatériaux peuvent améliorer la détection et l’élimination des contaminants dans l’eau et dans le sol. Des domaines en cours de développement et réalisation peuvent être suivis notamment pour :

l’assainissement des eaux des composés nocifs pour la santé : Les particules de fer (zéro valent), des porphyrinogènes et de l’oxyde de titane peuvent être utilisés pour enlever le chlore des hydrocarbures chlorés.

la séquestration des contaminants hydrophobes tels que les hydrocarbures aromatiques qui sont liés dans le sol ou les sédiments.

l’élimination des contaminants métalliques (ex : mercure) de l’air par des nanostructures.

Le futur ?

Le marché des technologies d’information et de l’électronique a le potentiel de croissance économique le plus fort suivi par celui de soins médicaux et des sciences de la vie. Les différentes estimations indiquent que la vente des nanomatériaux devrait dépasser le billion de dollars US en 2015, soit près de mille milliard d’euros.

Aujourd’hui, le développement trop rapide de certaines technologies sans contrôle ni études rigoureuses montrent que les défaillances quant à la considération des impacts environnementaux ont été et demeurent couteuses (ex : DDT, amiante, métaux lourds, pétrole). Après ces durs enseignements, la perspective environnementale doit être introduite pour que la nanotechnologie contribue au confort de vie sans compromettre santé et environnement.