Les nanosciences : une révolution ?

Le nanomètre (nm), ou milliardième de mètre, est une dimension s’approchant de l’échelle atomique : un atome de silicium occupe approximativement une sphère de 0,3 nm de diamètre. Physiciens et chimistes sont familiers de cette échelle et il n’est pas nouveau de remarquer que les films colorés qui se forment à la surface des métaux oxydés ont des dimensions de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres. Depuis longtemps les opticiens savent déposer sur les verres de lunettes des films nanométriques qui constituent des couches antireflets ou des revêtements antirayures.

Cependant, la microélectronique et l’informatique, deux techniques apparues au milieu du siècle dernier, se sont très rapidement développées et complexifiées grâce à la miniaturisation des composants électroniques. Cette miniaturisation des circuits électroniques s’est si ardemment poursuivie que, dès la fin du siècle, il devenait clair que la fabrication et la compréhension du fonctionnement des « micro » composants devraient être envisagées à l’échelle du nanomètre. Il fallait dorénavant se projeter dans une ère de nanotechnologies, apprendre à fabriquer des objets à cette échelle ultime, à les observer, à les manipuler, les utiliser et, en fin de vie, les recycler. Les nanos s’invitaient dans la vie de tous les jours !

Mais revenons un peu en arrière.

Du millimètre au micromètre et au nanomètre

La découverte du transistor en 1947 a révolutionné les techniques de l’électronique en montrant qu’un petit morceau de germanium pouvait faire aussi bien (et même mieux) qu’un tube à vide compliqué et fragile. Ce petit morceau de germanium, remplacé ensuite par du silicium, et qui n’était que de quelques millimètres de côté dans la première réalisation, a ensuite été réduit à des dimensions de plus en plus petites, gros comme une « puce ». Les principes de fonctionnement des transistors ayant été bien compris, on a pu mettre plusieurs transistors sur un même morceau de matériau semiconducteur et les assembler pour réaliser une fonction électronique complexe, un microprocesseur. Déjà, en 1971, on pouvait en assembler 2300 dans un même « processeur ». Ensuite, l’histoire de l’électronique a surtout été, pendant longtemps, une histoire de la miniaturisation. Comment faire les mêmes circuits sur un morceau de silicium de plus en plus petit ? Il y avait plusieurs avantages à cette miniaturisation : le circuit était plus rapide, il était moins cher et il s’avérait plus fiable !

La fabrication des transistors nécessitant de creuser des trous dans une couche protectrice déposée sur le silicium, il a fallu réaliser des ouvertures de plus en plus petites. La miniaturisation a mis à profit toutes les ressources de la technique pour arriver à ses fins : utilisation de procédés de réduction photographique, gravures chimiques de plus en plus contrôlées, gravures ioniques très directives, utilisation de rayonnements de longueur d’onde de plus en plus courte pour le transfert des motifs, écriture directe du masque avec un faisceau d’électrons... La réduction des dimensions a suivi un parcours régulier, sans faute, selon un rythme constaté dès les années 1970 par Gordon Moore. Le plus petit motif réalisé dans les circuits commerciaux passait de 0,35 µm en 1995, à 0,13 µm en 2001 pour se trouver à 0,065 µm en 2007 et finalement autour de 0,028 µm en 2010. L’avantage connexe lié à cette réduction des dimensions a été l’augmentation du nombre de transistors sur une même puce. Il est passé de 2300 en 1971, comme on l’a dit, à plus de 2 milliards en 2010, en doublant régulièrement tous les 2 ans.

Les dimensions atteintes autour de la fin du XX^e siècle nous font indubitablement pénétrer dans l’échelle du nanomètre : un milliardième de mètre, un millième de micromètre. Aujourd’hui, un motif de 22 nm, c’est une bande de silicium dont la largeur ne comprend que 60 atomes environ. La microélectronique est donc entrée dans l’ère de la nanoélectronique.

La microélectronique a longtemps été seule concernée par la miniaturisation. Cependant, de par sa dynamique propre, elle a fait appel à de nombreuses disciplines qui lui étaient utiles, soit pour fabriquer des instruments d’observation et de fabrication, soit pour mieux contrôler les étapes de fabrication : magnétisme, optique, chimie ont été mises à contribution. Tous les nouveaux outils ont ensuite stimulé l’entrée dans l’ère nano de ces disciplines et d’autres encore.

Les domaines d’application sont nombreux et prometteurs : la microélectronique, les nanomatériaux et la nanochimie, les nanobiotechnologies, les systèmes nanomécaniques, les instruments d’observation, etc. Nous en présentons quelques-uns dans ce dossier, et des descriptions détaillées pourront être trouvées dans des ouvrages de référence particulièrement complets [1].

La microélectronique a conduit à la production de microprocesseurs de plus en plus puissants. Ils constituent le coeur de tous ces objets high tech symboles de la vie contemporaine : téléphones mobiles, baladeurs, tablettes de lecture...

Les microsystèmes électromécaniques associent électronique et fonctions mécaniques. Ce sont les générateurs de gouttes pour les imprimantes à jet d’encre ou les déclencheurs d’airbag par exemple.

Les nanomatériaux. La préparation sous forme de nanograins ou de nanofils peut doter de propriétés nouvelles des matériaux bien connus. C’est le cas par exemple des nanotubes de carbone dont les propriétés sont différentes de celles du charbon ou du diamant. On peut exploiter ces matériaux nouveaux, soit seuls, soit en les incorporant à des matériaux « classiques ». Ainsi les nanotubes peuvent être incorporés à des résines pour augmenter leur résistance mécanique ou les rendre conductrices. Les nanotubes de carbone sont l’exemple type de nouveaux matériaux issus des nanotechnologies et qui sont produits en quantités de plus en plus importantes.

Les nanobiotechnologies. Des molécules d’intérêt biologique peuvent être assemblées sous forme de nanogouttes de quelques nanomètres ou quelques dizaines de nanomètres. Leur petite taille leur permet de se déplacer le long des capillaires sanguins et même éventuellement de pénétrer dans les cellules. La composition des nanoparticules peut leur conférer des fonctions multiples : furtivité (pour passer les barrières naturelles de l’organisme), reconnaissance (des cellules cibles), thérapeutiques (pour détruire les cellules malades), contraste (pour permettre la visualisation des nanoparticules). Il existe de nombreux projets en phase d’essai clinique.

Le survol des différents sujets rattachés au domaine des nanosciences montre une très grande disparité et une grande diversité des sujets. À part le préfixe nano, qu’est-ce qui constitue l’unité du sujet ? Les nanosciences ne sont-elles pas devenues un sujet attrape-tout qui, pour des raisons d’opportunité, s’est développé aux dépens des disciplines traditionnelles ? C’est sans doute un peu vrai, car le sujet est devenu plus particulièrement à la mode dans le sillage d’un grand programme de recherche initié aux États-Unis, sous l’administration Clinton au début des années 2000.

Il faut également reconnaître que le domaine est très composite : il concerne des disciplines variées et des objets dont les dimensions réelles s’échelonnent entre nanomètre et micromètre. Il existe tout de même un certain nombre de fils conducteurs qui établissent la cohérence des sujets.

Tout d’abord, la genèse de toutes ces innovations montre qu’un des moteurs a été la technologie microélectronique, qui, pendant 40 ans, n’a cessé d’apporter en continu de nouvelles techniques, de miniaturiser les circuits et de réduire leur coût. Un des résultats a été le développement considérable de l’informatique et sa diffusion dans tous les domaines. On peut dire, sans nul doute, qu’il y a eu, et qu’il y aura encore, une révolution liée à l’informatique.

Un autre résultat a été l’introduction de la miniaturisation et des nouveaux moyens de calcul dans d’autres secteurs techniques : biologie et biotechnologie, mécanique. Nanochimie et nanomatériaux ont également progressé en parallèle, mais de façon moins évidemment connectée. Dans tous ces secteurs, on a identifié de multiples innovations mais les projets en devenir sont encore plus nombreux.

Il est aussi remarquable de constater combien cette évolution récente est marquée par le rapprochement des disciplines et des différents domaines du savoir. À l’échelle du nanomètre, physique, chimie, biologie et mécanique sont liées. Les savoirs et les compétences des différentes disciplines doivent absolument collaborer.

Science fondamentale et technologie sont également indissolublement liées. La fabrication d’objets et la compréhension de leurs propriétés se doivent d’avancer simultanément.

Le terme « révolution des nanos » a été utilisé plus d’une fois. Il est clair que ce à quoi nous assistons, ce n’est pas vraiment à une révolution mais plutôt à une progression tout à fait continue des savoirs et des techniques dans de nombreux domaines, avec parfois des sauts qualitatifs remarquables. Les nanosciences ont sans aucun doute été des acteurs de premier plan dans nombre de révolutions indiscutables : révolution de l’informatique, révolution des télécommunications et peut-être demain révolution de la médecine personnalisée...

Le thème « nano » a-t-il été « survendu » ? Sans doute. La faute aux scientifiques, heureux de faire partager leur émerveillement pour des découvertes et des innovations. La faute aussi aux médias qui se sont emparés d’un sujet facile à présenter et qu’il était aisé de raccrocher à des thèmes de science-fiction connus (« L’aventure intérieure », film sorti en 1987 par exemple).

Le présent auteur a sans doute lui-même contribué à cette dérive puisqu’il a commis un livre sur le sujet [2].

Faut-il avoir peur des nanos ?

Cet excès d’honneur a nourri en retour une forte campagne antinano. On ne peut terminer un tel article de présentation des nanosciences et des nanotechnologies sans évoquer les espoirs et les craintes, voire la diabolisation, dont ce domaine des sciences et des techniques a pu être l’objet.

On l’a dit, les dernières décennies ont vu le développement très rapide de la microélectronique et des télécommunications. Informatique et Internet ont profondément changé les modes de communication, transformé les métiers et accéléré la mondialisation. Toutes ces transformations sociales génératrices d’angoisse, de déclassement, voire de chômage, ont été associées aux innovations techniques. Alors qu’auparavant la voiture, la machine à laver et la télévision étaient synonymes de progrès techniques, maintenant certains ne veulent voir que les aspects négatifs des innovations.

Les risques associés aux nanotechnologies peuvent être de nature environnementale (risque de dissémination et conséquences sur l’environnement), risque sanitaire (pour la population en général, pour les travailleurs concernés en particulier). Quels sont les risques particuliers liés aux spécificités des nanoparticules ? Ces questions font l’objet de nombreuses réglementations (voir l’article de Roland Masse et Claude Boudène dans ce dossier), mais aussi sont au centre des controverses [3].

Conclusion

Les nanosciences et les nanotechnologies ont été portées au pinacle. Elles ont bénéficié d’une promotion exceptionnelle et de soutiens financiers considérables. Elles nous ont beaucoup promis par la voie de chercheurs et de journalistes enthousiastes. Les nanosciences ont effectivement ouvert de nouveaux domaines à la connaissance. Elles ont aussi stimulé l’apparition de nouveaux instruments d’observation sans lesquels rien n’aurait été possible : microscopes à effet tunnel capables de voir et même de manipuler les atomes un par un. Tous ces savoirs et ces instruments rendent possibles de nombreuses applications technologiques dont on peut espérer qu’elles sauront effectivement contribuer à relever un certain nombre des défis auxquels la société se trouve confrontée : pollution, besoin d’énergie propre et en quantité suffisante, santé et vieillissement... Encore faudra-t-il montrer pour chacune de ces applications qu’elles rendent un réel service sans induire de nouveaux risques ni apporter de nouvelles pollutions, ni mettre en péril les droits légitimes des personnes.

Un débat public, proposé en France en 2009-2010 pour faire le point sur « le développement et la régulation des nanotechnologies » n’a pu se dérouler dans la sérénité. Les « antinanos » ont en effet organisé le chahut au prétexte que tout était joué d’avance !

Certes, l’excès des critiques répond sans doute à l’excès d’enthousiasme des chercheurs. Il s’est nourri notamment des extrapolations osées des prophètes du transhumanisme (voir encadré).

Bien loin de ces visions messianiques, nanosciences et nanotechnologies désignent le stade actuel d’un certain nombre de savoirs et de techniques qui ont produit l’électronique miniaturisée et l’informatique omniprésente. De multiples évolutions de nos modes de vie et de travail en sont les conséquences directes. Ces évolutions sont elles regrettables ? Et si oui, faut-il en rendre la science responsable ?

Cette conclusion ne prétend pas répondre à ces vastes questions. Mais elle voudrait souligner qu’il est toujours possible de faire un usage raisonnable de nos savoirs.

Cela est vrai pour les nanosciences et les nanotechnologies comme pour d’autres champs des savoirs. À nous tous de maintenir la vigilance et l’efficacité de nos institutions démocratiques pour lutter contre les applications techniques inacceptables et diffuser celles qui sont bénéfiques.