Les Nanosciences : une révolution ?

vendredi 21 mai 2010

Au cœur de la matière

Les nanosciences doivent leur nom à une échelle de mesure, le nanomètre, 1 million de fois plus petit que le millimètre. Imaginez deux objets qui mesurent un nanomètre et que vous décidez de placer à une distance d’un millimètre l’un de l’autre. Cela revient à poser deux pièces d’un centime d’euro à 15 km de distance ! Les scientifiques peuvent aujourd’hui scruter la matière dans son intimité, à l’échelle de l’atome. Les outils qu’ils utilisent pour voir, comme le microscope à effet tunnel, sont également les outils qui leur permettent de déplacer les atomes individuellement. Une possibilité d’agir au coeur de la matière qui était inimaginable au début des années 80.
JPEG - 11.1 ko
Approche de la pointe du microscope à effet tunnel.
Photo : H. Raguet © CNRS Photothèque

Une révolution ?

JPEG - 15 ko
Presse pour nano impression de puces électroniques.
Photo : E. Perrin © CNRS Photothèque
Pour faire progresser l’informatique et les moyens de communication, l’industrie de l’électronique s’est lancée la première dans la course à la miniaturisation. Un microprocesseur comme le Pentium IV renferme 42 millions de transistors. Les éléments les plus petits créés pour l’électronique actuelle ne mesurent qu’une centaine de nanomètres.
La chimie, elle, travaille de longue date au niveau de l’infiniment petit sans avoir attendu l’émergence des nanosciences. Pour faire progresser la génétique, les biologistes étudient les brins d’ADN dont l’ordre de grandeur est la centaine de nanomètres. Peut-on parler dans ces conditions de révolution alors que les nanosciences ne constituent pas une nouvelle discipline mais un simple point de rencontre entre scientifiques de divers horizons ? Ne s’agit-il pas d’une simple continuité, d’une suite logique de la miniaturisation ?

En fait, la rupture est réelle pour plusieurs raisons. Premièrement, l’émergence de nouveaux microscopes. Il y a un avant et un après. Avant, les chercheurs sont aveugles et ne peuvent pas manipuler la matière à une si petite échelle. Après, ils le peuvent. La conception de ces microscopes ne s’appuie pas sur une nouvelle étape de la miniaturisation mais sur des concepts radicalement nouveaux.

JPEG - 15.6 ko
Microscope à force atomique (AFM) pour l’observation de nanostructures en surface.
La résolution de cet appareil est de l’ordre quelques nanomètres. Photo : J. Chatin © CNRS Photothèque
JPEG - 27 ko
Organisation d’un aérogel de carbone obtenu à 1000°C.
Ce type de carbone nanostructuré est un candidat intéressant pour le stockage de l’hydrogène (utile à la pile à combustible). Photo : J-N Rouzaud, A. Thery © CNRS Photothèque
Deuxièmement, l’apparition de phénomènes quantiques. En dessous de 50 nanomètres, les scientifiques franchissent un seuil, des phénomènes ondulatoires apparaissent et les objets peuvent présenter des propriétés tout à fait exceptionnelles. La raison en est simple : quand la taille des objets devient minuscule, la longueur d’onde des particules qui se déplacent dedans commence à être de l’ordre de grandeur de la taille des objets. Il faut penser autrement le fonctionnement de ces objets. Ensuite, les physiciens qui ne pouvaient travailler que sur de la matière naturelle, qui constitue le monde, peuvent à présent créer des assemblages inconnus d’atomes, de la matière fabriquée sur mesure. Puis tester cette matière nouvelle pour mettre en évidence des propriétés inédites.

Le microscope à effet tunnel a été rejoint par des instruments aux qualités complémentaires, comme le microscope à force atomique. Et comme toujours dans le domaine des sciences, l’expérimentation, la manipulation viennent fournir de nouvelles informations dont les théoriciens s’emparent pour progresser à leur tour. Dans les nanosciences, ce va et vient constant est d’une grande richesse. Il suscite actuellement d’importantes découvertes.

Les nanosciences, qui sont déjà à l’origine de nombreuses applications, sont un des domaines de développements scientifiques et technologiques les plus prometteurs du siècle à venir.

Les nanos c'est: