Apm Pb Nanotech

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La prochaine révolution industrielle ?Les nanotechnologies :

sources d’innovation pour les entreprises

Pascal ROYER

Laboratoire de Nanotechnologie et d’Instrumentation Optique (LNIO)

Université de technologie de Troyes UTT / ICD / CNRS / CEA

[email protected]

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Les nanotechnologies :- Introduction

- (film, échelle dimensionnelle, nano/microélectronique, top down / bottom up)

- Principes et concepts

- Historique

- Objectif ultime

- L’état des recherches aujourd’hui

- Les techniques de fabrication

- Exemples d’applications

- Ethique - Toxicité des nanomatériaux- Quelques éléments de marché

- Nanotechnologies et PME (outils disponibles)

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INTRODUCTION- film, échelle dimensionnelle, nano/microélectronique,top down / bottom up)

- Principes et concepts

- Historique

- Objectif ultime

- L’état des recherches aujourd’hui

- Les techniques de fabrication

44

10 mn

55

5mn40

77

10-9 mètre

c'est à dire un milliardième de mètre

ou un millionième de millimètre

(Dans une feuille de papier d'épaisseur 0,1 mm, on pourrait empiler 500 000 atomes)

C'est le domaine de l'infiniment

petit, D'un point de vue technologique,

c'est le domaine de la miniaturisation ultime

88

Un nanomètre, c’est environ :

• 500 000 fois plus fin que l'épaisseur du trait d’un stylo à bille ;

• 30 000 fois plus fin que l’épaisseur d’un cheveu ;

• 100 fois plus petit que la molécule d’ADN ;

• 4 atomes de silicium mis l'un à côté de l'autre.Même différence de taille entre un atome et uneballe de tennis qu’entre une balle de tennis et la terre

99

inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….

ais aussi de fabriquer d'autres structuresais aussi de fabriquer d'autres structures

Cette machine est appelée "Cette machine est appelée "un assembleurun assembleur""

L ’échelle du nanomonde à partir du monde du vivantet des produits fabriqués par l ’homme

Comment fabriquer des nanocomposants ?

On assemble la matière atome par atome

On part d ’un matériau qu ’on découpe, puis qu ’on sculpte,...

1010

Aujourd ’hui, on fabrique des micro-processeurs de 1 cm2 de surface et contenant 50 millions de transistors (inventé en 1948 par lab. Bell - Nobel en 1956) : la surface moyenne d ’un transistor est actuellement de 1 μm2 et la finesse des

motifs réalisés par photolithographie atteint 50 nm.

L ’histoire récente de la microélectronique nousamène au seuil des nanosciences

1111

1 cm (le 1ier en 14/12/47)

20 nm / en 2005 / INFINEON

1 μm / années 2000

En 60 ans, diminution de lataille d’un facteur 100 000

1212

Le coût de fabrication des transistors sur une puce a baissé de façonspectaculaire : en 1973, le prix d’un million de transistors intégréséquivalait à celui d’une maison, en 2005, il était celui d ’un post-it.

Evolution du coût de fabrication d ’unmillion de transistors en 30 ans

1313

Historique / quelques dates clefs- 1948 :Invention du transistor (Nobel en 59 : Bardeen, Brattain,

Shockley)- 1959 :Invention du circuit intégré (Kilby / Texas Instrument,

Nobel en 2000 ) Discours de Feynman sur la nanotechnologie !!

(Nobel de physique en 1965)

-1985 : Les nanotubes de carbone (R. Smalley : prix Nobel de Chimie)

- 1986 : Microscope à effet tunnel STM (Binnig et Rohrer : prixNobel de physique)

1414

inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….

ais aussi de fabriquer d'autres structuresais aussi de fabriquer d'autres structures

Cette machine est appelée "Cette machine est appelée "un assembleurun assembleur""

L'objectif de la nanotechnologie est

d'arriver à manipuler, contrôler précisément et individuellement les

atomes (ingénierie ou nanotechnologie

moléculaire)

(faire du diamant à partir d'un morceau de charbon)

création de nouvelles molécules par la maîtrise du réarrangement atomique

construction de nouveaux matériaux avec de nouvelles propriétés, sans impuretés, donc plus

résistants avec moins d'atomes, donc plus légers et moins volumineux

Richard Smalley, inventeur des fullerènes,

prix Nobel de chimie en 96 prédit la naissance de cette technique entre

2010 et 2040

construction de nano-robots dotés de bras mécaniques

nanoscopiques (assembleurs) construisant à leur tour d'autres robots (auto-reproduction, donc faible coût) ou des ensembles de

plus grande taille grâce à un programme de construction.

OBJECTIF ULTIME DE LA NANOTECHOLOGIE

1515

Quel temps faudrait-il

pour fabriquer une feuille de

papier format A4 en

considérant que vous pouvez

assembler

1 million d'atomes / seconde

EXERCICE

A raison de 1 million d'atomes/s, c'est à dire pour 2 empilements/s, j'aurai besoin de 0,5 milliard de milliards de secondes ou encore de 25 milliards d'années pour

fabriquer cette feuille

Empilement vertical de 500 000 atomes dans l'épaisseur de la feuille (0,1 mm)

Pour couvrir la surface de la feuille (21 x 30 cm2), il faut juxtaposer 1018 = 1 milliard

de milliards d'empilements verticaux d'atomes

1018 = un trillion

1616

Exemple : Prenons un diamant d’un carat : il contient dix milliards de trillion (1018) d’atomes Un robot capable de manipuler 10 millions d’atomes / s mettrait 32 millions d’années ! pour le fabriquer

Toutefois si le robot peut s’auto dupliquer (molécule parmolécule) en 15 mn et que chaque nouveau robot reproduisele processus, au bout de 14 h, nous aurons alors 1 millionde milliards de robots !,

ensemble ils construiront alors le diamant endix secondes !

1717

De plus, nous, humains, sommes la preuve

que la nanotechnologie existe puisque nous sommes constitués de véritables machines moléculaires (ADN, ARN, ribosomes = mini-usines chargées de synthétiser toutes les protéines, etc.), qui

fonctionnent à l'échelle atomique, et agencent de façon extrêmement précise les atomes et les molécules dont nous sommes constitués…..

La nanotechnologie est bien en marche

Auto-réplicationà l’image desorganismes

vivants

1818

CE TYPE DE MICROSCOPIE A SONDE LOCALE

EST A L ’ORIGINE DES NANOTECHNOLOGIES

(d’un point de vue de l’imagerie et de la

manipulation à l’échelle atomique)

Aujourd ’hui, quel est l ’état des recherches ?

Début des années 80, premier système permettantl ’observation et la manipulation d'atomes à l'échelleindividuelle : invention du STM (Scanning tunnelingMicroscope ou Microscope à effet tunnel)(Binnig et Rohrer - Nobel 86 - IBM Zurich)

1919

Les nouvelles microscopies àl’origine des nanotechnologies

STM, AFM, SNOM,….

STM : Scanning Tunneling Microscope / Microscope à effet tunnel électroniqueAFM : Atomic Force Microscope / Microscope à forces atomiquesSNOM : Scanning Near Field Optical Microscope / Microscope à balayageen champ proche optique

2020

Possibilité d’imager des surfacesà l’échelle atomique :

Principe du microscope à effet tunnel électronique : STM

Atomes de silicium

2222

Arrangement d’atomes de fer sur substrat de cuivre

Manipulation d’atomes par STM

2323

Microscopie à forces atomiques

Images : - de sondes AFM (à gauche) - d’hélice d’ADN - bits d’un DVD

2424

Topographie

Différents types de sondes pour microscopie à forcesatomiques et pour microscopie optique à sonde locale

2525

Les techniques de fabricationde nanoobjets / nanostructures

Technologie « top down » = descendanteTechnologie « bottom up » = ascendante

2626

Les techniques « top-down (descendante) » de lithographie optique, électronique, de gravure, de faisceau d’ions focalisé permettent de fabriquer des structures de quelques dizaines de nm de taille à partir d’un matériau massif de dimension micro/macro

Comment fabriquer des nano-objets?

2727

(Le taureau de S. Kawata – Japon)

Taille (L x H) : 10 x 7 μm2

(taille équivalente à celle d’unecellule de sang)

Objectif : démontrer la possibilité deconcevoir et réaliser de futursnano/micro objets/machines capablesd’explorer le corps humain

Principe : micropolymérisation à 2photons

(Le volume lumineux créé à l’intersectionde 2 faisceaux lasers envoyés sur un

réservoir de résine polymère photosensible solidifie localement la résine

Nanophotolithographie

2828

L ’auto-organisation : « bottom-up (ascendante) » :les molécules ayant une terminaison spécifique (en jaune)

s ’attachent au substrat et s’ordonnent

Analogie à la formation de labuée sur les vitres : en secondensant, la vapeur d’eaucrée des milliers de gouttelettesréparties régulièrement sur la vitre

Le substrat est unenanostructurepréconstruite

2929

EXEMPLES D’APPLICATIONSDIVERSES

DES NANOTECHNOLOGIES

3030

Le domaine du médical

3131

Traiter le cancer…avec les nanotechnologies

Des nanoparticules de taille équivalente à l’ADN : des interactions etdes fonctionnalités à cette échelle sont donc envisageables

3232

Des nanocristaux semi-conducteurs comme marqueursfluorescents pour l’imagerie in vivo, des nanotubes de

carbone et des nanoparticules pour le traitement ciblé du cancer

Les couleurs verte, jaune et rouge sont émisespar des nanocristaux de tailles différentes

localisés sur différents organes de la souris

Destruction thermique de tumeurscancéreuses par excitation IR de NTC

Nanoparticules se fixant sur unetumeur en utilisant l’hyperméabilité

des vaisseaux proches d’une tumeur

3333

Des nanoparticules pour se débarrasser de l’arsenic

Représentation des nanoparticulesde magnétite (en rouge) se liant

avec l’arsenic dans l’eau. (Rice University)

Des chercheurs espèrent pouvoir mettre à ladisposition des pays en développement uneméthode simple et peu coûteuse pour nettoyerl’eau contaminée par l’arsenic.

Des nanoparticules de magnétite, un oxyde defer, et des aimants ordinaires permettent de sedébarrasser de ce poison inodore et incolore.

La consommation régulière d’eau contaminée parl’arsenic se manifeste par de graves maladies : - des problèmes de pigmentation dans un premier temps, - des cancers du poumon, de la vessie ou de la peau à plus long terme.

3434

Le stent : gaine nanoporeuse empêchantles molécules de graisse d’adhérer aux artères

3535

Nanorobot (conçu sur le modèle de certaines bactéries) : Les bactéries se propulsent à l’aide d’un flagelle (filament faisant office d’hélice). Elles possèdent un moteur moléculaire de 25 nm de taille qui fait tourner la flagelle à 18 000 trs / mn d’où un déplacement pour une bactérie de taille moyenne de 30 000 nm / s

Un « nanorobot chirurgien » en préparation à l’Université de Monash en Australie (épaisseur de 250 μm équivalente à la taille de 2 cheveux).Il devrait pouvoir voyager à l’intérieur du corps humain afin de prendre des photos, délivrer des médicaments en des points précis de l’organisme et même effectuer des tâches de micro-chirurgie. Il sera télécommandé et pourra se déplacer au sein des artères et entrer dans des organes comme le coeur

3737

Le vaccin à ultrasons pour les poissons : aux USA, vaccination de masse par ultrasons :

- des nanocapsules contenant de minces fibres d’ADNsont déposées dans un étang où elles sont absorbéespar les cellules des poissons.Les ultrasons sont ensuite utilisés pour rompre lescapsules qui libèrent ainsi l’ADN et provoquent uneréponse immunitaire chez l’animal.

3838

Le domaine des biotechnologies :nanobiotechnologies

3939

Le laboratoire sur puce (« lab-on-chip »)(Technologie microfluidique appliquée à l ’analyse médicale)

Réduction :- du volume des prélèvements,- de la consommation de réactifs,- du temps et du coût des analyses

Utilisation d’un réseau de microcanaux et microréservoirs gravés sur leverre ou des chips de polymère pour construire des mini-laboratoires.La pression ou des forces d'électrocinétiques déplacent des volumes enpico litre de manière contrôlée par les canaux. Le laboratoire- sur-pucepermet le traitement d'échantillons, le mélange, la dilution, l’analyse etl’identification d’espèces biologiques,…

4040

Biopuce à ADN

Structure de la molécule d ’ADN : L ’identité de chaque individu, ses caractéristiques génétiques,

sa prédisposition à certaines maladies,sont déterminés par l ’ordre dans

lequel les 3 milliards de basescontenues dans chaque brin se

succèdent (séquences) :cet enchaînement forme le code

génétique (30 000 gènes) unique à chaque individu.

La biopuce à ADN

ADN : 2 brinsenroulés en forme

d ’hélice

Microcuvettes gravées sur verre ou Si.On accroche un fragment d ’ADN

sonde (une séquence de bases d ’ADN)sur chaque microcuvette caractéristique

d ’un gène, d ’une mutation ou d ’unemaladie

2500 microcuvettes

4141Prototypes de laboratoires sur puce

4242

Hybridation : vivant + nano/microélectronique

4343

Contrefaçon des médicaments : marquage chimique incorporation de traceurs nanométriques à faible concentration dans le médicament pouvant être ensuite dosés par des kits de tests authentifiés par le fournisseur

Toutefois nécessité de prouver l’innocuité du marqueur au cours de son absorption

4444

Le domaine des technologies

de l’informationet de la communication

(Miniaturisation et intégration dimensionnelle )

4545

Les cristaux photoniques permettent à l’instardes ailes de papillon de contrôler la propagationde la lumière selon les propriétés optiques desmatériaux utilisés et la géométrie de l’arrangementpériodique, certaines couleurs pourront être soittransmises, soit réfléchies (phénomène de diffraction)

4646

Guides optiques intégrés dans du silicium

Image optique

Cheveu

Boucle optique intégrée dans un substrat de silicium pouvant êtreutilisée pour la spectrométrie optique intégrée

4747

Nécessité de composants intégrés :- pour la micro/nanoélectronique,- pour les télécommunicationsoptiques

TIC : domaine de l’informatique,des télécommunication et du

multimédia

4848

Tout cela est permis par le CyberDisplay de Scalar : c'est en fait un écranà base de nanotechnologies d'une diagonale d'un demi-centimètre àmatrice active - Résolution de 180.000 pixels. Et le tout pèse ... 5 grammes.

La vidéo dans vos lunettes

Le « teleglass »

Vous regardez en mobilité de la vidéo venant d'un DVDportable, d'un téléphone sans fil, d'un PDA wifi/wimax,

d'une caméra digitale, etc...Teleglass vous crée un écran virtuel situé à 2 mètres de votre

oeil, avec une diagonale de l'ordre de 50 centimètres.

4949

Détection par réseau de nanocapteurs pulvérisés dans l’air ou incorporés dans les matériaux (peinture, textiles), formant un réseau communicant capable de recevoir, traiter et transmettre des données.

De nombreux secteurs sont intéressés :- le militaire et le civil (bioterrorisme) : détection desubstances chimiques et bactériologiques, détectiondes mouvements de l’ennemi,- la protection civile contre le bioterrorisme,- l’environnement : surveillance de la qualité de l’air,- la médecine : surveillance médicale à distance,- le génie civil : détection de l’usure des matériaux

« La poussière électronique »

5151

Le domaine de l’énergieet du transport

5252

Applications énergétiques : - cellules photovoltaïques :

Le prix élevé des cellules solaires limite actuellement le déploiement de l’énergie solaire. L’utilisation des

nanotechnologies pourrait diminuer de façon importanteleur coût de production (technologie CIS*, peinture photovoltaïque

contenant des polymères**,…) - amélioration des matériaux d’isolation, - piles à combustibles :

Economie de l'hydrogène : les nanotechnologiepourraient contribuer à résoudre le problème du stockagede l’hydrogène. Les spécialistes estiment cependant que 40 ans

seront nécessaires au déploiement de cette technologie qui a comme principal avantage d’éliminer toutes les émissions nocives par rapport aux autres moteurs à combustion interne. - Additifs de carburant :

Des nanoparticules utilisées comme additif de carburant peuvent augmenter l'efficacité des carburants des moteurs diesel d’environ

5 %.

5454

* La société Nanosolar ( appuyée financièrement par lesfondateurs de Google) envisage de construire la plus grandeusine de fabrication de cellules solaires au monde

technologie CIS : Cuivre – Indium – Sélénium / technopeu gourmande en matériaux (une simple couche de1 μm d’épaisseur d’éléments actifs) de fabrication etfacilement adaptable aux supports flexibles

rentabilisation de la production,baisse du prix du kWh

** : la fabrication d’un kg de peinture contenant des cellulessolaires nanoscopiques (polymères photovoltaïques) coûte 1$de matière première et 4 $ d’énergie.On peut alors recouvrir les routes avec une couche depeinture épaisse de qq 10-3 mm au prix d’une dizaine decentimes / m2, chaque m2 peut transformer suffisammentd’énergie solaire en électricité pour fabriquer un autre m2 depeinture en moins d’1 semaine

5555

Le domaine des matériaux

5656

En général 3 grandes familles de nanomatériaux :

- les nano-objets (nanoparticules, nanofibres,…)

- les matériaux nanostructurés en surface

- les matériaux nanostructurés en volume

Changement des propriétés physiques d’un matériau lorsqu’on passe de l’état massif à l’état nanométrique

caractéristiques inédites permettant desinnovations de rupture dans de nombreux domaines

5757

Surface d’une feuille de lotus

Surfaces autonettoyantes : effet lotus

Surfaceartificiellementnanostructurée

5858

Textiles hydrophobes : imperméabilisation

par nanostructurationdes fibres

5959

Le gecko au secours de la technologie : robotique et combinaison de spiderman

SETA

6060

En remplaçant dans les vernis les classiques molécules polymères par des réseaux à base de nanoparticules de céramique, on peut tripler leur résistance à la rayure, prolongeant d'autant l'éclat de la peinture

Certains constructeurs voient déjà beaucoup plus loin, en concevant des peintures qui englobent de microscopiques cellules solaires :la carrosserie pourrait alors recharger la batterie quand la voiture est à l'arrêt

Des peintures pourraient changer de couleuren fonction de l’éclairage

La manipulation atomique permet aux industriels de fairedes miracles.

La preuve : des peintures de voiture hyperrésistantes aux rayures

6161

Des nanoparticules viennent enroberles fibres afin de rendre le tissu le plusdense possible. Il en devient imperméable à l'eau et au gras. La société américaine Nano-Tex,spécialiste de l'utilisation desnanotechnologies pour améliorer les propriétés des textiles, s'est déjà diversifiée dans le tissu d'ameublement.Les possibilités sont multiples puisque le textile trouve des applications dans de nombreux secteurs industriels

Des vêtements jamais tachés... le rêve ! Une utopie devenueréalité grâce au traitement nano-technologique des textiles.

6262

Kodak n'en est pas à son coup d'essai : en 2003, la société a largementinvesti dans Nanosys, start-up californienne à la pointe des nanotechno. Le spécialiste de la photographie espère bien étendre ces innovationsà tous les produits liés à la photographie numérique : imprimantes etencres pour photos.

Ce papier a été conçu pour résister à tout ce qui est susceptible del'abîmer au cours du temps : lumière, pollution, humidité ou encorechaleur. Un film protecteur de nanoparticules de céramique revêt le

papier et le protège des agressions extérieures.

6363

L'objectif poursuivi est sensiblement le même que pour le papier photo :rendre les surfaces imperméables et inattaquables par la pluie, la boue,la neige, le gel, la poussière... Il ne s'agit pas cette fois d'appliquer un filmgras anti-adhérent sur la voiture, mais de déposer des nanoparticulesDirectement sur le matériau. La nano-vitrification assure des conditionsde visibilité optimales et simplifie le nettoyage. Relativement courante dans le secteur automobile, cette technologie peutÊtre utile pour traiter des meubles, des matériaux de construction, deslaques...

Un bouclier invisible pour la voiture

6464

Cette propriété de l'oxyde d'argent, connue depuis des centaines d'années, trouve une nouvelle jeunesse avec les nanotechnologies, qui permettent de l'incorporer à de nombreux objets et surfaces. Elle est également utilisée dans certains claviers et dans le téléphone mobile SPH-V6500 de Samsung.

Disposant d'un revêtement de nanoparticules de dioxydede titane et d'argent, cette souris détruit les bactéries et

virus susceptibles de résider à sa surface.

6565

La marque de cosmétiques japonaise Shiseido a ajouté dudioxyde de titane photochromique à certains de ses fondsde teint afin de limiter l'effet "plâtre". Le produit adapte sa

couleur à l'intensité des UV, grâce à des substances capablesd'émettre une lumière colorée lorsqu'ils sont stimulés.

De son côté, L'Oréal a opté, entre autres, pour les nanosomes de Pro-Rétinol A+ pour sa crème anti-rides, qui sont des nano-véhicules permettant de venir loger les vitamines au plus profond de la peau.En 2005, L'Oréal était la sixième entreprise détentrice de brevets de nanotechnologies aux Etats-Unis (au nombre de 192). 600 millions de dollars ont été alloués à la recherche sur les nano, soit 3,5 % de son budget global.

6666

Comme il est également souple et possède des propriétés thermiques, ce matériau est particulièrement prisé des sportifs : on en trouve déjà dans les raquettes et les balles de tennis, mais aussi les clubs de golf, les cadres de vélo, les skis, les carrosseries de Formule 1 ou... les boules de bowling.

Les nanotubes de carbone sont le fer de lance desnanotechnologies. 100.000 fois plus fin qu'un cheveu,

un nanotube de carbone est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l'acier. Ce qui en fait le matériau

le plus solide jamais construit.

6767

Les nanotubes de carbone : matériaux du 3ième millénaire?

C 60NTC

Molécule C60 (Φ = 0,7

nm)

1985 prix Nobel de chimie:

R. Smalley / R. Curl and

H. Kroto

Les NTC : Nanotubes de Carbone

6868

NTC : NanoTubes de Carbone : S. Iijima les observele premier en 1991 au microscope électronique

6969

Diamètre d’un NTC : de 1 à 10 nmLongueur : plusieurs microns (1 micron = 1000 nm)

Quelques ordres de grandeurs des NTC

X 250 X 4500 X 20 000

Images de NTC obtenues au MEB

7070

Four solaire d’Odeillo de 1000 kW de puissance thermique

pour 900 W/cm2 3400 K qq 100g/h

Energie solaire

7171

D’extraordinaires propriétés thermiques,électroniques et mécaniques

Le NTC est 100 fois plus résistant et 6 fois plus légerque l ’acierEn fonction de l ’angle d ’enroulement du feuillet degraphite, le NTC peut être :

- un excellent conducteur d ’électricité,- un semiconducteur- un isolant

La fibre de carbone est très fragile alors que le NTC peut s’enrouler, se tisser (cohésion atomique parfaite)

Les NTC sont déjà incorporés dans des raquettes de tennis,des clubs de golf, des cadres de vélo, des carrosseries deformule 1,…

7272

Les NTC conducteurs peuvent être utilisés dans la fabrication denanofils électriques qui pourront servir de nano-électrodes dans lesécrans plats de télévision et d’ordinateur.

Dans chaque pixel d ’écranplat, on dépose en vrac des

NTC conducteurs.Ceux qui sont orientés

perpendiculairement à lasurface de l ’écran servent

de nano-électrode.

Un câblage de NTC supporte des densités de courant 1000 foissupérieures à celle du cuivre

Une potentialité d’applications diverses et variées

7373

- Revêtement thermique pour l’aérospatiale, les NTC résiste à des T°extrêmes atteintes lors du passage dans l’atmosphère

- Transistor moléculaire - nano-fil conducteur pour l’électronique

-Surface hyper adhésive en tapissant une surface polymère de« poils » de NTC

- Engrenage moléculaire (NASA)

7474

Chez Honeywell, projet de réalisation d’un muscle artificiel en NTC

développant une force 10 x sup. à un muscle humain et bien plus

résistant

allongement et contraction par stimulation électrique

Cette propriété mécanique étant réversible, en étirant mécaniquement

les NTC, production d’électrons donc d’électricité, d’où l’idée d’utilise

la déformation par le vent de grands drapeaux tissés en NTC remplaçant

les pales d’éoliennes pour fournir de l’électricité

A plus long terme :

7575

NASA : projet d’ascenseur de l’espace câble reliant la terre

à un satellite géostationnaire à 36 000 kms d’altitude

Et pourquoi pas……..

7676

Les problèmes

- pouvoir fabriquer de façon contrôlée (exemple de

l’hélicité dont les propriétés électroniques dépendent,...)

et purifier les NTC en masse,

- bien connaître leurs propriétés physico-chimiques,

- pouvoir conserver les propriétés mécaniques des NTC

(rigidité et résistance à la rupture) à l’échelle macro.

7777

Quelques exemples : - textiles insalissables recouverts d'une pellicule de nanoparticules d'argent,

- verres autonettoyants sur lesquels ont été déposés des couches minces d'oxyde de titane

- dentifrice aux nanoparticules de phosphate de calcium qui comblent les minuscules fissures des dents

Plus de 300 produits "nanos" sont déjàsur le marché

7878

Le domaine de l’agroalimentaire

7979

Dans le domaine du conditionnement :-Systèmes de conditionnement intelligent afin de mieux protéger les aliments et d’en améliorer les modes de contrôle, ceci faciliterait leur traçabilité depuis l’exploitation agricole jusqu’à l’assiette du consommateur

-L’utilisation de nanoparticules dotées de propriétés antimicrobiennes et de surfaces à même de repousser les poussières

-L’utilisation de nanocapteurs pouvant détecter d’infimes quantités de molécules chimiques telles que celles que libère un aliment lorsqu’il commence à se dégrader. Par un simple changement de couleur, le consommateur pourrait être alerté

- Matériaux basés sur des fibres plus résistantes les rendant capables de concurrencer les matériaux plastiques en terme de performance et de fonctionnalités grâce de meilleures propriétés barrière, à la diminution du grammage et l'introduction d'interactivité

- Contrefaçon : nanostructuration des emballages ou incrustation de nanoparticules détectables optiquement (changement de couleur par réseau de diffraction, fluorescence de marqueurs / traceurs)

8080

En agriculture :Les nanotechnologies promettent de réduire l'utilisation de pesticideset l'amélioration des cultures et de l'élevage. Une étude récente faite parCientifica montre qu'il y a déjà 150 applications des nanotechnologiesdans l'industrie agroalimentaire, principalement dans les grands groupestels que : Nestlé, Kraft, Heinz et Unilever.

8181

Le domaine militaire

8282

Le domaine militaire- La DARPA (l'agence Américaine de recherche militaire) réaliseactuellement une nouvelle classe de drones appelés M.A.V.(Micro Air Vehicules). Ces drones inspirés de la morphologie desoiseaux n'auraient qu'une envergure de 15 cm et un poids de50 grammes, soit pas plus gros qu'un moineau.

- Les nanoadhésifs : nanobande pour paralyser les pistes de terraind ’aviation et nanocolle pour bloquer tous les systèmes mécaniques

- la guerre bactériologique et chimique

- la gelée griseMichael Crichton « la proie »http://www.cea.fr/fr/sciences/Nanosciences_AgeOr_Apocalypse.pdf

8484

- fabrication par million de minusculesrobots volants ("robugs"), difficilementdétectables, permettant d'envahir la vie

privée de tous (espionnage, surveillance,repérage, identification, marquage de

cibles

- fabrication de nano-virus ciblés pour tuer

- capteur miniature tenant dans la montred'un soldat et renseignant sur sa santé,

communiquant son état vers l'unitémédicale de son groupe

Armement

8585

Le domaine spatial

8686

Beaucoup de projets sont en cours à laNASA, car la nanotechnologie serait le

moyen le plus sûr et le plus économiqued'explorer et de coloniser l'espace

- fabrication de fusées, de stations orbitales,etc., plus solides, plus fiables et à bas coût

- possibilité de "terraformer" d'autresplanètes!!!

- "l'ascenseur pour l'espace"

Espace

8888

Nanotechnologies et éthiqueToxicité des nanomatériaux

(risques sanitaireset environnementaux)

8989

Des questions : - Quels sont les risques potentiels pour la santé et

l’environnement ?- A quelles fins les nanotechnologies pourront être utilisées ?- Qui y aura accès ?- En établissant un lien entre l’inerte et le vivant, entre notrecorps et les machines, les nanotechnologies ne pourraient - elles pas, à terme, mettre en danger l’identité même de l’êtrehumain ? Voire d’échapper à son contrôle ?

Ces questions ont été récemment saisies par :le COMETS : comité d’éthique du CNRS,le CCNE : Comité consultatif national d’éthiquele Comité Européen d’Ethique

Les « pro » nanos perçoivent les NT comme un véritable progrès pour l’humanité. Elles devraient pouvoir répondre au triple défi du développement durable : comment alimenter la croissance économique tout en préservant l’environnement, et en même temps améliorer la sécurité et la qualité de vie des citoyens

Les « anti » nanos les perçoivent comme un signe annonciateur de la destruction prochaine de l’humanité.Scénario catastrophe de la « gelée grise* » : la biosphère serait détruite par des robots s’auto reproduisant hors de tout contrôle (« écophagie »).

9090

Les NT ont la particularité de nous donner la faculté de pouvoir partageret multiplier le recueil de l’information :

que fera t-on de cette incroyable masse de données, donc problème de son contrôle et de son portage

Exemple d’application pouvant porter atteinte à la vie privée :- puces RFID (Radio Frequency identification)

C’est pourtant déjà le cas avec le téléphone portable et pourtant…

Usage à des fins militaires : nouvelles armes et instruments furtifs,capteurs et émetteurs miniatures donnant les moyens dedémultiplier les moyens d’acquisition et de transmission del’information

Afin d’éviter un détournement des usages des nanoproduits, pouvantmettre en danger la liberté du citoyen, la mise en place de moyens decontrôle réglementaire ou juridique apparaît nécessaire.

* : scénario catastrophe de la « gelée grise » : la biosphère serait détruitepar des robots s’auto reproduisant hors de tout contrôle (voir le livre paruen 2003 par Michael Crichton intitulé « la proie »)

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Toxicité des nanomatériaux :

- problème de l’infiltration des nanopoudres / nanoparticules dans les poumons,

- traversée des barrières épidermiques et oculaires, - inhalation,…- Eparpillement dans l’environnement ou l’écosystème

Programmes (NANOCAP – NANOSAFE) de recherche sur la maîtrise des risques sanitaires et environnementaux liés à la production et l’utilisation de nanoparticules :

- métrologie (caractérisation des propriétés physico-chimiques, nombre et morphologie des nanoparticules)- risque d’incendie et d’explosion- expologie (carcatérisation des expositions)- toxicologie : in vitro (toxicité pulmonaire et neurotoxicité), in vivo et in silico (travaux de modélisation)- écotoxicologie

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Mais les risques ne sont pas nouveaux :

Tous les jours on absorbe des nanoparticules : fumée, poussière, gaz c’échappement.En milieu urbain on compte entre 10 et 20 millions de particulesau moins de 100 nm par litre d’air.

De nombreuses nanoparticules sont depuis longtemps utiliséesdans divers produits : - le noir de carbone utilisé comme pigment (encres), comme agent de renforcement (pneus), comme isolant de la lumière (emballage), - le TiO2 comme pigment blanc dans les peintures et les encres, comme filtre anti UV dans les crèmes solaires, - le ZnO, le SnO2 déposé sur les puces de silicium, - les nanoparticules de silice pour le pneu vert,….

La nano auront au moins l’avantage de se poser les questions qui n’ontpas été posées dans le cas de l’amiante, des OGM, …

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Quelques chiffres et

éléments de marché

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En 2001, la National Science Foundation (USA)déclare que le marché des nano serait de1 000 milliards de $ en 2015, puis surenchère dessociétés de conseil et d’investissement

3 000 milliards de $ d’ici 8 ans

d’après Michael Berger de Nanowerk : « Ne pas confondre :

les nanotechnologies « évolutionnaires » améliorant des produits ou processus existants en y insérant des

composants plus petits, ou bien en exploitant les possibilitésoffertes par la matière à l’échelle nano(Nokia, L’Oréal, Toshiba, BMW, Bayer,…) et les nanotechnologies « révolutionnaires » (n’ayantactuellement aucune perspective financière) visant à fabriqueratome par atome ou molécule par molécume, systèmes, outilset produits. »

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D’après Yole développement / Lyon, le marché mondial desnanoparticules et des nanotubes de carbone est estimé à plusde 2,5 milliards d’€ d’ici 2010. Il est prévu une croissance de plus de 20% / an pour les années à venir

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En 2006, environ 10,6 milliards de $ ont été injectés dans la R&D sur les nanotechnologies dans le monde (dépenses publics + investissements des entreprises)

Au niveau de la recherche académique, USA, Japon et Europe sont pratiquement à égalité

Aux USA, Washington a alloué aux Universités :- 464 millions de $ en 2001- 989 millions en 2004- probablement 1,5 milliards de $ en 2008

Dans le domaine industriel : Les USA dominent avec 46% des dépenses de R&D mondiale. Actuellement, l’effort en R&D des industriels américains est d’environ 2 milliards / an

C’est le point faible de l’Europe : l’effort de R&D des industriels européens ne représente que 17% de l’effort mondial (36% pour l’Asie)

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L’Allemagne (3ième financeur mondial de la R&D) abrite la moitié des entreprises européennes du secteur. Environ 600 entreprises et institutions publics emploient50 000 personnes et détiennent les 2/3 des brevets européens

En France, les investissements publics progressent d’environ 10% / an (277 millions d’€ en 2005)En 2005, lancement par l’ANR d’un programme prévoyant d’injecter chaque année par le biais du R3N 70 millions d’€

En revanche, la recherche industrielle reste limitée à quelques grands groupes,les PME / PMI étant presque inexistantes

Europe - 7ième PCRD (2007 – 2012) : les laboratoires sélectionnés se partageront environ 3,4 milliards d’€

Autres pays acteurs des nanotechnologies :- La Chine injecte environ 100 millions de $ / an- La Corée du Sud : 260 millions de $ / an- Taiwan annonce un programme injectant 110 millions de $ / an pour les 6 prochaines années

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On ne peut pas ignorer cette nouvelletechnologie et ses nombreuses

potentialités industrielles, mais….

…gare à la « bulle » nano,la prudence est de mise !

De plus aujourd’hui* :- Le grand public est peu informé (acceptation des nanotechs ? – débat public)- Manque de personnel compétent – peu de formation adaptée : champ d’investigation pluridisciplinaire à l’interface de la physique, de la chimie et de la biologie - Protection de la PI insuffisante- Les aspects toxicité et éthique ne sont que récemment abordés

(réglementation pratiquement inexistante, manque pouvant poser problème quant à l’industrialisation des résultats de la nanotechnologie)

- Les premiers travaux sur la normalisation débutent seulement- Hésitation des compagnies d’assurance à couvrir ces technologies et les- risques afférents

*Tiré d’un article de Cordis suite Euronanoforum (juin 2007) ayant eu lieu à Düsseldorf

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Nanotechnologies et PME

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Les acteurs français :- surtout des grands groupes : EADS, Rhodia, Michelin, L’Oréal, Atofina, Saint Gobain, Ait Liquide, Snecma, ST Microelectronics, Biomérieux,…

- Quelques PME / PMI : DGTec, Alchimer, Inanov, LovaLite, Praxim, Avertec, Ademtech,…

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METIS : un exemple réussi de collaborationindustrie (PME) / recherche publique (CEA)

« Rien ne prédisposait les laboratoires de pointe du CEA à Grenoble et des PMEdu textile ou de la papeterie, des activités implantées historiquement au nord dudépartement de l’Isère, à se rencontrer. La plate-forme expérimentale METIS,Lancée à l’initiative du Conseil Général, de l’AEPI et de la ville de Bourgoin-Jallieu,parie sur ce rapprochement audacieux pour favoriser la diffusion des micro etnanotechnologies au coeur de ces industries »

Une initiative nord Isère (5 entreprises + CG 38) :METIS (un incubateur de projets) démocratise les nanotechnologies :une association réunissant industriels ayant une vraie culture d’innovation(secteurs du textile et du papier) et chercheurs du CEA facilitant l’accèsdes PME aux nanotechnologies

Structure visant à favoriser l’émergence de projets technologiquesconcrets par la mutualisation des investissements

METIS identifie les thématiques porteuses, défriche un sujet, et une foisles verrous technologiques levés et la faisabilité montrée, les PMEmènent le projet à son terme

Pas de concurrence entre les sociétés mais des complémentarités, doncpas de problème de confidentialité autorisant un vrai dialogue et une réellesynergie

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METIS :Une structure de transfert :

- 3 chercheurs salariés permanents- une quinzaine de chercheurs du CEA dont 1attachéexclusivement à METIS- 6 partenaires industriels de secteurs traditionnels

(5 PME/PMI de 40, 600, 820, 140, et 165 employés

+ groupe de 8 000 employés)- un budget de 3 millions d’€ / an dont la moitiéprovient de l’industrie

5 grandes thématiques :- Matériaux / nanomatériaux pour de nouveaux effets visuels ou denouvelles fonctionnalités (changement de couleur sous contraintesmécaniques, protection aux UV,…)- Traçabilité et lutte contre la contrefaçon- Electronique sur substrats souples autres que le silicium- Instrumentation de substrats souples par des capteurs pour lesdomaines de la sécurité, de la santé et du sport- Solution de récupération d’énergie sur la personne

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En tant qu’industriel du textile, qu’attendez-vous du projet METIS?

« Nous employons 286 salariés en Isère : 50 % de notre chiffre d’affaires, de 75 millions d’euros, sont réalisés à l’export avec des produits aussi variés que la mode ou les textiles techniques… »

« … Le seul moyen pour nous de rester compétitifs face à la concurrence des pays à bas coûts de main-d’oeuvre, c’est l’innovation permanente, un critère essentiel pour trouver de nouveaux relais de croissance. Or une PME de notre taille n’a pas les moyens de financer des contrats de recherche à long terme. Pour nous, travailler avec de grands labos comme le CEA paraissait inaccessible. En nous regroupant avec quatre autres entreprises du textile (Piolat, SIEGL et Filaxetor) et du papier (Arjowiggins), et avec le soutien financier des collectivités locales, nous pouvons initier ce travail en réseau. C’est un fabuleux réservoir d’idées nouvelles qui s’ouvre à nous. Notre objectif est d’arriver d’ici à deux ans à des prototypes commercialisables.»

Témoignage :Patrick Bonnefond, Directeur Général de SOFITETA : « bientôt des puces au cœur des textiles et des papiers »

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Par exemple ?

« On peut imaginer des capteurs intégrés dans le textile qui permettraient de réguler le stress ou la transpiration, ou encore d’utiliser le tissu comme un support pour de l’électronique embarquée. Ainsi instrumenté, le textile autoriserait le suivi de personnes dépendantes à domicile, ou encore celui des colis, et la lutte contre la contrefaçon… Toutes les pistes sont ouvertes. Pour l’instant, un ingénieur détaché du CEA et un chercheur recruté par la plate-forme METIS constituent l’indispensable courroie entre tous les acteurs pour explorer les possibilités entre tous les partenaires. Nous sommes convenus de faire un bilan au bout d’un an et si nos espérances se confirment, une nouvelle phase de deux ans sera engagée »

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Quels sont les outils à ladisposition des PME quisouhaiteraient s’investir

dans les Nanotechs

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Au niveau national :Les crédits de la recherche public dédiée aux nanotechnologies sont essentiellementattribués :

- directement par l’état (Ministère de la Recherche, Ministère de l’industire):programme Nanosciences et grandes centrales- indirectement via des dotations allouées aux opérateurs publics(CEA, CNRS, INSERM, OSEO ANVAR / DRIRE au niveau régional),aux réseaux de recherche (R3N) et d’innovation technologique- par les collectivités territoriales (CPER,….)- soutien aux initiatives et programmes européens

- pour soutenir les activités de recherche dans le cadre de grandsprogrammes, de réseaux, dans les universités et les instituts publics- pour faciliter la diffusion de l’innovation technologique dansl’industrie et promouvoir le développement durable

Les PME / PMI peuvent s’adresser essentiellement à OSEOet l’ANRT

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Pôle MINATEC / CEA Léti / INPG implanté à Grenoble :pôle d’excellence de R&D, de formation et de valorisation dedimension européenne, voire mondiale entièrement dédié auxmicro et nanotechnologies regroupant 4 000 personnes(universitaires, chercheurs et personnels des entreprises) sur45 000 m2 sur le site du CEA / Léti.(investissement total de 170 millions d’€ : état, CEA etcollectivités territoriales)

Pôle de compétitivité mondial MINALOGIC en Rhônes-Alpes : budget de1,2 milliards d’€ pour 65 projets déjà labellisés

« une force d’entraînement pour les PME tentées parl’innovation »

De nombreux laboratoires français de recherche public (Universités, CNRS, CEA,…)Mènent des travaux dans le domaine des nanotechnologies

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L’Europe : le 7ième PCRDT (2007-2013) (Programme cadre communautaire de recherche

et développement technologique)(Industries N° 122 – avril 2007)

Volet coopération : 32,4 milliards d’€ dont 3,5 milliards pour les nanotechnologies- Emergence de projets coopératifs de R&D- Projets de R&D à fort contenu technologique fondés sur une collaborationétroite entre des entreprises appartenant à plusieurs états membres

Les domaines prioritaires :- ,NTIC : 9,1- Santé : 6- Transports : 4,1- Nanotechnologies : 3,5 milliards d’€ Priorités : - création d’une nouvelle génération de produits et de services induisant une utilisation plus rationnelle des ressources naturelles et dont l’impact sur la santé et l’environnement serait réduit, - domaine des matériaux : mise au point de produits à fonctions multiples dotés de propriétés et de performances nouvelles, - technologies de production : déboucher sur de nouveaux modèles durables de production et de consommation

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- Energie : 2,3- Alimentation et biotechnologies : 1,9- Environnement : 1,8- Espace : 1,4- Sécurité : 1,3- Sciences humaines : 0,6

- Nouvelles plateformes technologiques communautaires composées d’acteursIndustriels et académiques,- Programme de recherche ambitieux portant sur des sujets d’intérêt majeur,- Partenariat étroit entre secteur public et secteur privé.

+ nouveau Volet « capacités » : - diffusion des travaux de recherche dans l’ensemble du tissu économiqueeuropéen- Libération des capacités d’innovation au sein des petites et moyennesentreprises

Lieux et dates des journées d’information par les représentants français :www.telecom.gouv.fr et http//eurosfaire.prd.frPortail communautaire : www.cordis.europa.eu

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Mise en place par le gouvernement français d’un dispositif d’accompagnement à l’intention des PME afin de faciliter leur participation(voir OSEO innovation + les DRIRE dans les régions, voir également leMinistère de l’Industrie) : objectif de faire participer 500 PME / an

Passer d’une logique de montage de projet et de recherche de financementà une logique de partenariat et d’insertion dans de véritables réseaux decomplémentarité technologique

Simplification forte des règles et des procédures de fonctionnement :- Sur le plan financier : les projets pourront bénéficier d’unfinancement à hauteur de 75% de leur coût total au lieu des 50%autorisés dans l’ancien PCRD- Assouplissement des régles de participation des PME- Lisibilité des documents- Rationalisation des systèmes de financement- Réduction du nombre de démarches- Raccourcissement des délais- Le principe de la responsabilité collective remplacé par unmécanisme de garantie couvrant les risques financiers liés à ladéfaillance de l’in ou l’autre des partenaires

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L’enveloppe spécifiquement réservée au PME (1,3 milliards d’euros) : vocation prioritaire de favoriser l’émergence d’une véritable culture de l’innovation

Financement de 2 catégories de projet : - projets présentés par un petit groupe de PME innovantes afin de résoudre un problème technologique commun ou

complémentaire,- projets émanant d’un groupement de PME en vue de trouver une solution à un problème technique intéressant un grand nombre d’entreprises appartenant çà un secteur d’activités spécifique

Point de contact national pour les PME / PMI françaises : Oséo Innovation

[email protected]

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Quelques sites concernant les nanotechnologies en France et en Europe - France :

- R3N (Réseau national)http://www.r3n.org/ ou http://www.rmnt.org/

- CNRShttp://www.cnrs.fr/saga

- Club Nano-Micro Technologieshttp://www.clubnano.asso.fr/

- ANRhttp://www.agence-nationale-recherche.fr/

- les C’NANO régionaux (pôles régionaux de laboratoires publics initiés parle Ministère de la Recherche)http://www.cnano-rhone-alpes.org/http://www.cnanoge.org/+ autres régions

- MINATEC – CEA / Letihttp://www.minatec.com

- OMNT / CEA / CNRS : Observatoire des Micro et Nano Technologieshttp://www.omnt.fr

- Base de données des acteurs français des nanomatériauxhttp://www.nanomateriaux.org

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- La cité des Sciences (site général sur les Nanosciences et Nanotechnologies)http://www.cite-sciences.fr/ala_cite/expositions/nanotechnologies/

- NANOMICRO / Portail Nanosciences du Ministère de la Recherchehttp://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/

- En Europe :- Commission européenne / 7ième PCRD / Cordis

http://cordis.europa.eu

Ne pas hésiter à contacter : Pascal Royer :

tel : 06-23-95-00-25Email : [email protected]

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En l ’absence de tension électrique :sur la grille, les électrons, chargésnégativement, sont attirés depuis lasource vers le drain à travers le canalde conduction situé sous la grille

Si l ’on applique une tension négativesur la grille, elle repousse les électronshors du canal de conduction.Ils ne parviennent plus au drain et lecourant est interrompu

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La loi de Moore :tous les 18 mois, le nombredes transistors sur la surfacedes puces électroniquesdouble et la taille de leur grille

diminue par un facteur 1,3

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Airbag / accéléromètre

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Biopuce à ADN

Structure de la molécule d ’ADN : L ’identité de chaque individu, ses caractéristiques génétiques,

sa prédisposition à certaines maladies,sont déterminés par l ’ordre dans

lequel les 3 milliards de basescontenues dans chaque brin se

succèdent (séquences) :cet enchaînement forme le code

génétique (30 000 gènes) unique à chaque individu.

La biopuce à ADN

ADN : 2 brinsenroulés en forme

d ’hélice

Microcuvettes gravées sur verre ou Si.On accroche un fragment d ’ADN

sonde (une séquence de bases d ’ADN)sur chaque microcuvette caractéristique

d ’un gène, d ’une mutation ou d ’unemaladie

2500 microcuvettes

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