Nanotechnologie

Représentation d'un nanotube de carbone (cliquer pour voir l'animation)

Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes matériels à l'échelle du nanomètre (nm). Dans ce contexte, les nanosciences sont l’étude des phénomènes et de la manipulation de la matière aux échelles atomique, moléculaire et macromoléculaire, où les propriétés diffèrent sensiblement de celles qui prévalent à une plus grande échelle. Les nanotechnologies, quant à elles, concernent la conception, la caractérisation, la production et l’application de structures, dispositifs et systèmes par le contrôle de la forme et de la taille à une échelle nanométrique^[1]. Malgré la relative simplicité et la précision de ces définitions, les NST présentent plusieurs acceptions liées à la nature transversale de cette jeune discipline. En effet, elles utilisent, tout en permettant de nouvelles possibilités, des disciplines telles que l'optique, la biologie, la mécanique, la chimie, ou encore la microtechnologie. Ainsi, comme le reconnaît le portail français officiel des NST, « les scientifiques ne sont pas unanimes quant à la définition de nanoscience et de nanotechnologie^[2] ». Les nanomatériaux ont été reconnus comme toxiques pour les tissus humains et les cellules en culture^{[3][4][5],[6][7]}. La nanotoxicologie étudie les risques environnementaux et sanitaires liés aux nanotechnologies. La dissémination à large échelle de nanoparticules dans l'environnement est sujette à des questions éthiques.

Les nanotechnologies bénéficient de plusieurs milliards de dollars en recherche et développement^[8]. L'Europe a accordé 1,3 milliard d’euros pendant la période 2002-2006^[9]. Certains organismes prétendent que le marché mondial annuel sera de l’ordre de 1 000 milliards de dollars américains dès 2015.

Historique

Vision de Feynman

Dans son discours donné le 29 décembre 1959 à la Société américaine de physique, Richard Feynman évoque un domaine de recherche possible alors inexploré : l'infiniment petit. Feynman envisage un aspect de la physique « dans lequel peu de choses ont été faites, et dans lequel beaucoup reste à faire^[10] ». Se fondant sur la taille minuscule des atomes, il considère comme possible d'écrire de grandes quantités d'informations sur de très petites surfaces : « Pourquoi ne pourrions-nous pas écrire l'intégralité de l'Encyclopædia Britannica sur une tête d'épingle ? »^[11]. Une affirmation qui n'avait pas été spécifiquement relevée, et qui est aujourd'hui abondamment citée (de fait, ce qui à l'époque était infaisable, semble aujourd'hui parfaitement réalisable, grâce aux progrès en microtechnologies). Feynman veut aller au delà des machines macroscopiques avec lesquelles nous vivons : il imagine un monde où les atomes seraient manipulés un par un et agencés en structures cohérentes de très petite taille.

Microscope à effet tunnel

Comme souvent en science, le développement des nanosciences et nanotechnologies s'appuie sur l’invention de deux instruments permettant d’observer et d’interagir avec la matière à une échelle atomique ou subatomique. Le premier est le microscope à effet tunnel qui a été inventé en 1981 par deux chercheurs d'IBM (Gerd Binnig et Heinrich Rohrer), et qui permet de parcourir des surfaces conductrices ou semi-conductrices en utilisant un phénomène quantique, l'effet tunnel, pour déterminer la morphologie et la densité d'états électroniques des surfaces qu’il explore. Le second est le microscope à force atomique qui est un dérivé du microscope à effet tunnel, et qui mesure les forces d'interactions entre la pointe du microscope et la surface explorée. Cet outil permet donc, contrairement au microscope à effet tunnel, de visualiser les matériaux non-conducteurs. Ces instruments combinés avec la photolithographie permettent d'observer, de manipuler et de créer des nanostructures.

Fullerènes et nanotubes

En 1985, trois chercheurs, Richard Smalley, Robert F. Curl (de l'Université Rice de Houston) et Harold W. Kroto (Université de Sussex) découvraient une nouvelle forme allotropique du carbone, la molécule C₆₀ constituée de 60 atomes de carbone répartis sur les sommets d’un polyèdre régulier formé de facettes hexagonales et pentagonales. Chaque atome de carbone a une liaison avec trois autres. Cette forme est connue sous le nom de buckminsterfullerène ou buckyball et doit son nom à l’architecte et inventeur américain Richard Buckminster Fuller qui a créé plusieurs dômes géodésiques dont la forme est analogue au C₆₀^[12].

Plus généralement, les fullerènes dont fait partie le C₆₀, sont une nouvelle famille de composés du carbone. Non équilatéraux, leur surface se compose d’une combinaison d’hexagones et de pentagones à l’instar des facettes d’un ballon de football. Cette disposition leur confère des structures toujours fermées en forme de cage de carbone. Il fallut néanmoins attendre 1990, pour que Huffman et Kramer de l’Université de Heidelberg, mettent au point un procédé de synthèse permettant l’obtention de ces molécules en quantités macroscopiques. Les nanotubes ont été identifiés six années plus tard dans un sous-produit de synthèse des fullerènes^[13].

Prophéties de Drexler

En 1986, Eric Drexler publie un ouvrage sur l'avenir des nanotechnologies, Engines of Creation, dans lequel il délivre sa vision des progrès faramineux possibles avec l'essor des nanotechnologies. Ainsi les lois physiques paraissant insurmontables aujourd'hui pourraient être dépassées, les produits créés pourraient être moins coûteux, plus solides, plus efficaces grâce à la manipulation moléculaire. Mais Drexler a également prévu ce qu'on pourrait appeler le revers de la médaille, en effet de telles technologies capables de se reproduire ou du moins de se répliquer par elles-mêmes pourraient être tout simplement cataclysmique puisque, par exemple, des bactéries créées dans un quelconque intérêt commun pourraient se répliquer à l'infini et causer des ravages sur la flore mais aussi sur la faune et même sur l'humanité. Drexler écrit que si l'essor des nanotechnologies, apparemment inéluctable dans le processus d'évolution, devait nous apporter énormément dans des domaines très vastes, il est également fort probable que ces technologies deviennent destructrices si nous ne les maîtrisons pas entièrement.

À ce sujet, une des questions qui peuvent être posées est la forte capacité pénétrante qu’ont les nanoparticules à l’égard des tissus cellulaires. Effectivement, du fait de leur taille inférieure aux cellules, dès lors que ces dernières sont à l’état de particules, elles peuvent outrepasser certaines barrières naturelles. Cette propriété est d'ailleurs déjà exploitée dans l’industrie cosmétique.

Physique des nanosciences

À l'échelle nanométrique, la matière présente des propriétés particulières qui peuvent justifier une approche spécifique. Il s'agit bien sûr des propriétés quantiques, mais aussi d'effets de surface, de volume, ou encore d'effets de bord. En effet, conformément aux lois de la mécanique quantique, une particule adoptera au niveau nanométrique un comportement ondulatoire aux dépens du comportement corpusculaire que nous lui connaissons au niveau macroscopique. Cette dualité onde-particule est particulièrement visible dans l'expérience des fentes de Young. Un faisceau de particules (lumière, électrons, etc.) interfère avec une série de fentes peu espacées et crée une figure d'interférences, caractéristique d'un phénomène ondulatoire. Cette dualité onde-particule de la matière, qui reste à ce jour une des grandes interrogations de la physique, va provoquer divers phénomènes au niveau nanométrique, par exemple :

• Quantification de l'électricité : dans un fil nanométrique, on a remarqué que le courant électrique n'est plus constitué d'un flux continu d'électrons mais qu'il est quantifié, c'est-à-dire que les électrons circulent par « paquets » dans le circuit.
• Quantification de la chaleur : de même dans un circuit de taille nanométrique, on a observé que la chaleur se propage de manière quantifiée.

Ces phénomènes, observés expérimentalement^[14], confirment les théories de la mécanique quantique.

Ce comportement de la matière nous oblige à revoir notre façon de penser : lorsque l'on veut décrire une particule, on ne parle plus en termes de position en un temps donné, mais plutôt en termes de probabilité que la particule se trouve à un endroit plutôt qu'à un autre.

L'enjeu majeur des nanosciences est donc de comprendre ces phénomènes mais aussi et surtout d'en tirer profit lors de la conception d'un système nanométrique.

Émergence des nanotechnologies

Derrière l’effet d’annonce, plusieurs études ont été menées pour appréhender l’évolution des nanotechnologies et des nanosciences. Ainsi, en considérant le fait que les définitions ne sont pas stabilisées, la composante commune des différentes méthodes utilisées est de mesurer l’activité nanotechnologique sous trois angles : publications scientifiques (plutôt pour les connaissances fondamentales), brevets (plutôt pour les aspects technologiques), et éventuellement institutions et entreprises concernées ou encore les capitaux investis (pour mesurer l’activité économique et industrielle réelles). Qu’il s’agisse des brevets ou des publications scientifiques, les valeurs présentées dans les tableaux suivant étaient négligeables avant les années 1990.

Évolution technologique de 1995 à 2003 dans le monde

Au regard de l’article paru dans la revue Nature Nanotechnology^[15] en 2006, on note l’évolution suivante pour les brevets déposés à l’Office européen des brevets (EPO):

Année	1995	2000	2003
Nombre de brevets pour l'année	950	1 600	2 600

Si ces chiffres représentent une forte évolution, on note également une relative stabilité pour ces deux périodes. Néanmoins cette évolution ne prend pas en compte les croissances plus rapides (1997-1999) et les diminutions (2000-2001).

Évolution des connaissances fondamentales entre 1989 et 2000 dans le monde

Nous prendrons pour caractériser l’évolution des publications scientifiques, un article^[16] utilisant une méthode plus englobante que celle utilisée dans Nature Nanotechnology et qui permet de caractériser l'évolution des publications nanotechnologiques :

Périodes	1989-1990	1991-1992	1993-1994	1995-1996	1997-1998	1999-2000
Publications cumulées	1 000	10 000	20 000	35 000	55 000	80 000
Nouvelles publications	1 000	9 000	10 000	15 000	20 000	25 000

Périodes de créations des entreprises concernées par les NST

En suivant un rapport^[17] émis par la commission européenne à propos de l’estimation du développement économique des NST, nous pouvons regarder les dates de créations d’entreprises concernées par cette activité.

Périodes de création	Avant 1900	1900-1950	1951-1980	1981-1990	1991-2000
Nombre d’entreprises concernées	20	60	45	75	230

Ces chiffres sont établis sur un répertoire d’entreprises particulier qui semble sous-évaluer les effectifs réels. Ils montrent bien une nette accélération des entreprises concernées par les nanotechnologies depuis les années 1990, mais d’autres sources, plus complètes, font des estimations bien au-dessus de ces chiffres. Le site NanoVIP estimait qu'en 2005 plus de 1 400 entreprises étaient identifiées comme étant concernées par les nanotechnologies. Plus récemment, des recherches^[18] font état d’un nombre d’entreprises supérieur à 6 000 en 2006. Ces recherches s’appuient sur une méthode visant à combiner les sources d’informations^[19] en ajoutant plusieurs marqueurs de l’activité nanotechnologique, comme par exemple les brevets. En 2006, à partir de ces résultats, les États-Unis accueillent 48 % des entreprises qui investissent dans les nanotechnologies, alors que l'Europe (des 25 et des pays associés) totalise 30 % et l’Asie 20 %.

Disciplines fondamentales

Le développement actuel des nanosciences et nanotechnologies mobilise et recouvre un large spectre de domaines et de disciplines scientifiques.

Principaux champs scientifiques concernés

Du point de vue de la connaissance scientifique mobilisée, plusieurs sous-disciplines sont particulièrement utiles aux développements des connaissances fondamentales des NST. En effet, des analyses détaillées^[20] de la manière dont sont publiés et construits les articles scientifiques concernant les nanotechnologies et les nanosciences, montrent l’émergence de trois sous-champs spécifiques :

• biosciences et pharma : autour de la biologie, des laboratoires pharmaceutiques et des biotechnologies. Ce champ peut être qualifié comme celui de la nanobiologie.
• nanomatériaux et synthèse chimique : autour de la chimie et des nanomatériaux. Ce champ peut être qualifié comme celui des nanomatériaux.
• superconductivité et ordinateur quantique : essentiellement issue de la microélectronique, ce champ peut être qualifié comme celui de la nanoélectronique.

L’ensemble de ces trois champs s’articulent les uns aux autres avec plus ou moins d’intensité et de distance. Ils ont un impact important sur les modalités d’organisation de l’activité industrielle qu’ils mobilisent dans la zone concernée. En effet, la nanobiologie est essentiellement structurée autour de nombreuses petites entreprises et des grands groupes pharmaceutiques, alors que les activités industrielles concernées par la nanoélectronique s’organisent, pour l’essentiel, autour de très grands groupes, quelques petites entreprises et des grands équipements partagés.

Ingénierie moléculaire

Engrenage moléculaire issu d'une simulation de la NASA

L'ingénierie moléculaire, rendue possible grâce à l'invention d'un instrument comme le microscope à effet tunnel, consiste à construire et développer des molécules « à façon »^[21].

Médicales

Les communautés biologiques et médicales exploitent les propriétés des nanomatériaux pour des applications variées (des agents contrastants pour l'imagerie de cellules, des thérapeutiques pour la lutte contre le cancer).

On regroupe sous le terme de nanobiologie et de nanomédecine les applications dans ce domaine. En France, Patrick Couvreur est le plus ancien représentant des chercheurs de ce courant des NST.

On peut ajouter des fonctions aux nanomatériaux en les interfaçant avec des structures ou des molécules biologiques. Leur taille est en effet assez proche. Les nanomatériaux sont donc utiles à la recherche et aux applications in vivo et in vitro. Cette intégration permet l'émergence d'outils de diagnostic ou d'administration de médicaments.

Énergétiques

On peut voir des avancées dans le domaine du stockage, de la production d'énergie ainsi que dans celui des économies d'énergie.

• Des structures empilées de semi-conducteurs permettent d'atteindre de bien meilleurs rendements pour les cellules photovoltaïques.
• Des réductions de la consommation d'énergie sont rendues possible par des systèmes d'isolation thermique, une amélioration des matériaux conducteurs. Dans le domaine de la production de lumière, l'utilisation de matériaux issus des nanotechnologies tels que les LEDs permettent d'obtenir un rendement très intéressant.
• L'utilisation de matériaux nano-poreux pour le stockage de l'hydrogène pourrait enfin permettre de démocratiser son utilisation, actuellement bloqué par la faible quantité d'hydrogène stocké dans les réservoirs conventionnels qui sont par ailleurs bourrés de défauts (fuites, rendements médiocres, lourds, chers, etc)

Cet hydrogène pourrait alors être utilisé dans des moteurs à combustion ou par des piles à combustible.

• L'utilisation des nanotubes de carbone dans le domaine du stockage de l'électricité pourrait permettre de créer une pile, nommée supercondensateur, qui se rechargerait en quelques secondes, tout en étant plus légère qu'une batterie chimique et en ayant une durée de vie d'environ 3000 ans^[22].

Électroniques

Les structures des puces électroniques ou des circuits intégrés sont déjà à l'échelle du nanomètre et utilisent intensivement les nanotechnologies. Les avancées sont constantes dans les domaines des communications, du stockage d'information et du calcul.

Il n’y a guère longtemps, on considérait qu'intégrer des composants de deux microns, soit 2*10^-6 m, serait le seuil de miniaturisation absolu pour des dispositifs à semi-conducteurs (l'épaisseur du trait sur les circuits des premiers processeurs d'Intel était de l’ordre de 10 microns. À cette époque on pensait qu’il serait bien difficile de dépasser la barrière d'un micron).

En 2004, des architectures de 90 nanomètres (0,09 microns) constituent l’état de l’art et les processeurs sont produits en masse avec une finesse de 65 nanomètres dès le premier semestre 2006. Des puces gravées en 45 nanomètres sont sorties mi-2007, des puces en 32 nanomètres sont sorties en 2009 et la gravure en 22 nanomètres est déjà envisagée. Mais il y a une limite absolue, tout du moins pour une technologie héritée des procédés conventionnels de photolithographie, y compris les évolutions des technologies actuelles, telles que la photolithographie « extrême-UV », la lithographie à rayon X durs, la gravure par faisceau d'électrons, etc. Les nanotechnologies suggèrent une nouvelle approche plus radicale lorsque les voies classiques auront atteint leurs limites.

Deux difficultés majeures prédominent dans la construction de circuits électroniques à base de nanotechnologie, et donc dans l'émergence de la nano-informatique :

• À l’échelle du nanomètre, tout objet n’est qu’un assemblage des mêmes briques élémentaires : les atomes. À cette échelle du millionième de millimètre, les propriétés physiques, mécaniques, thermiques, électriques, magnétiques et optiques dépendent directement de la taille des structures et peuvent différer fondamentalement de celles du matériau au niveau macroscopique, tel qu’on l'exploitait jusqu’à présent. Cela est dû à un ensemble de raisons qui incluent le comportement quantique, mais également l’importance croissante des phénomènes d'interface.
• On est à ce jour incapable de maîtriser l’assemblage coordonné d’un très grand nombre de ces dispositifs de commutation (par exemple transistor à nanotubes de carbone - CNFET pour « Carbon Nanotube Field Effect Transistor » ou encore circuits électroniques mono-moléculaires hybrides, etc.) sur un circuit et encore moins de réaliser cela sur un plan industriel.

Derrière les définitions des NST ?

La diversité des recherches engagées dans le domaine des NST ainsi que la variété des savoirs mobilisés, a amené la constitution de plusieurs définitions des NST dans la littérature. Ce constat peut s’appuyer sur deux idées centrales qui ont un impact important sur notre capacité à trouver une définition unique et stable :

• le taux de croissance élevé (nombre d’articles et nombre de brevets par exemple) de cette discipline par rapport à des sciences établies (en incluant les biotechnologies qui sont en train de se stabiliser)
• la nature floue des frontières de cette jeune discipline qui assemble et réorganise des savoirs jusqu’alors (en partie) cloisonnés.

Définition par les propriétés de la matière

Les NST peuvent être caractérisées par l'étude de nouvelles propriétés de la matière^[23] apparaissant à l'échelle nanométrique, en particulier avec les effets de surface et les effets quantiques.

En effet, à l'échelle nanoscopique, le rapport entre les différentes forces d'interactions est différent du rapport à l'échelle macroscopique. Les forces de surface deviennent prépondérantes face aux forces d'inertie, en effet :

• Les forces d'inertie et le poids varient avec le cube de la longueur caractéristique des objets manipulés (forces volumiques).
• Les forces de surface telles que les forces de Van der Waals ou les forces électromagnétiques varient avec le carré de la longueur caractéristique de l'objet.
• La force de Casimir est souvent non négligeable, et les axes frottent davantage que si elle n'existait pas.

De surcroît, les faibles dimensions permettent de faire intervenir des effets quantiques tels que l'effet tunnel, le transport balistique et l'émission de champs. Il existe des applications directes dans le domaine des semi-conducteurs qui ouvrent des perspectives pour les supraconducteurs.

Pour des tailles de l'ordre du nanomètre, les caractéristiques électriques, mécaniques ou optiques des matériaux changent. D'autre part, les rapports de surfaces devenant prépondérants, les nanotechnologies ouvrent des perspectives en chimie, en particulier pour la catalyse.

Définition par l'approche bottom up

Il est également possible de définir les nanosciences et nanotechnologies par la nouvelle démarche qui les caractériserait.

Historiquement, le processus de fabrication d’une machine ou d’un objet manufacturé simple relève de manipulations et d’agencements essentiellement macroscopiques. Les matériaux sont produits, mis en forme par enlèvement de matière^[24] ou déformation, puis assemblés à l’échelle de grands agrégats de matière. Plus récemment, l’exemple de la microélectronique montre que nous sommes en mesure de produire sur une surface équivalente, un nombre toujours plus élevé d’éléments constituants. Ainsi le nombre de transistors des microprocesseurs sur une puce de silicium double tous les deux ans (vérifiant la loi de Moore). Cette augmentation illustre le phénomène de miniaturisation qui prédomine en microélectronique et plus largement en électronique.

Par opposition, la nanotechnologie s'appuie sur le procédé inverse : elle consiste à partir du plus petit pour aller vers le plus grand. Elle va de l’intérieur (des atomes) vers l’extérieur (les machines et les produits manufacturés). C’est pour cela que nous la qualifierons de technologie « ascendante ». La nanotechnologie est donc la discipline qui vise à étudier, manipuler et créer des groupes d'atomes puis des objets manufacturés par le contrôle individuel des atomes, « du bas vers le haut ».

Dans cette perspective, le terme générique « nanotechnologies » concerne l'assemblage contrôlé d'atomes et de molécules en vue de former des composants de taille supérieure caractérisés parfois par de nouvelles propriétés physico-chimiques.

Nanotechnologies et applications

Nanoparticules, nanomatériaux et applications commercialisées

Même s'il y a eu un engouement sur les applications potentielles des nanotechnologies, une grande partie des applications commercialisées se limite à l’utilisation d’une « première génération » de nanomatériaux passifs. Cela inclut les nanoparticules de dioxyde de titane dans les crèmes solaires, cosmétiques et certains produits alimentaires ; des nanoparticules de fer dans le packaging alimentaire ; des nanoparticules d’oxyde de zinc dans les crèmes solaires et les cosmétiques, dans les enduits extérieurs, peintures, et dans les vernis d’ameublement ; et des nanoparticules d’oxyde de cérium intervenant comme un catalyseur de carburant.

Un projet, The Project on Emerging Nanotechnologies, recense les différents produits contenant des nanoparticules et fondés sur des nanotechnologies. En 2007, ce projet identifie plus de 500 produits de consommation fondés sur des nanotechnologies. En 2008, le rapport issu de ce projet nous indique que le principal secteur concerné par les produits de consommation nanotechnologiques est celui de la santé et des sports (vêtements, accessoires de sports, cosmétiques, soins personnels, crème solaire, etc.) avec 59 % des produits, suivi de l’électronique et de l’informatique qui en rassemble 14 % (audio et vidéo ; caméra et pellicules; matériel informatique; dispositifs mobiles et communication).

Approche bottom up et perspectives

De plus, les applications exigeant la manipulation ou l'arrangement des composants à une échelle nanométrique (atome par atome) nécessitent l’approfondissement des recherches en cours avant d’aboutir à leur commercialisation. En effet, les technologies actuellement marquées avec le préfixe « nano » sont parfois peu liées et éloignées des objectifs finaux annoncés par les nanotechnologies, en particulier dans le cadre de la fabrique moléculaire qui est une idée toujours suggérée par le terme. Ainsi, il peut y avoir un danger qu'une « bulle nano » se forme (ou soit en train de se former), issue de l'utilisation du terme par les scientifiques et les entrepreneurs afin de recueillir des moyens financiers supplémentaires, aux dépens de l’intérêt réel que représentent les possibilités des transformations technologiques à long terme^[25].

David M. Berube, dans un livre sur la bulle nanotechnologique^[26], conclut également dans ce sens en rappelant qu’une partie de ce qui est vendu en tant que « nanotechnologies » est en fait un remaniement de la science des matériaux. Ce phénomène pourrait mener au fait que les nanotechnologies soient représentées par une industrie fondée essentiellement sur la vente de nanotubes et de nanowires (fils unidimensionnels mesurés en nanomètres), ce qui aurait pour effet de limiter le nombre de fournisseurs à quelques entreprises vendant des produits à faibles marges avec des volumes très conséquents.

Organisation

Financements

La recherche scientifique requiert un investissement souvent important. Dans le cas des nanotechnologies, où l’objet d’étude se spécialise et qui nécessite des équipements spécifiques et coûteux, les investissements nécessaires ne peuvent être supportés par une seule équipe. Pour continuer leurs recherches, les scientifiques et les ingénieurs sont financés par une grande diversité d’acteurs qui peuvent être regroupés en trois catégories^[27]:

• Les organisations publiques (états) : les gouvernements soutiennent fortement à la fois la recherche appliquée et la recherche fondamentale. En effet, certains pays ont un système de validation des brevets qui leur sont propres, ainsi qu’un grand nombre d’agences et de départements, qui permettent de favoriser l’obtention de contrats ou la protection de la propriété intellectuelle. Les organisations publiques jouent donc un rôle important dans le déploiement des moyens de coordination, permettant d'améliorer la circulation des connaissances dans la communauté scientifique, ainsi que de favoriser la rencontre entre les chercheurs, organisations, universités et institutions.
• Les organisations à but non lucratif : les universités constituent le cœur de cette catégorie, bien que pour leurs recherches elles reçoivent souvent des financements de sources extérieures, comme le gouvernement mais aussi les secteurs industriels concernés. Dans cette catégorie interviennent aussi une multitude d’organisations de bases privées et d'autres organismes qui soutiennent, sans objectifs directement financiers, la recherche en sciences.
• Entreprises et secteur privé : dans la plupart des pays développés, le secteur privé est à l’initiative d’environ les trois quarts des dépenses nationales de recherches et de développement. Cette importance du secteur privé est à nuancer avec des situations comme celles des États-Unis ou de l'Union européenne, qui ont des gouvernements qui investissent dans les NST en proposant une politique de recherche et d’innovation forte, en particulier dans les premières phases de développement de secteurs industriels nouveaux, comme l’est celui des NST.

En prenant en compte à la fois les investissements privés et publics de recherche et développement concernant les nanotechnologies, il est possible de positionner les pays les uns par rapport aux autres en fonction du volume des investissements réalisés. Toutefois, cette opération nécessite des précautions dans la mesure où, d’une part la taille des entités comparées intervient et d’autre part, pour le fait que chaque gouvernement a souvent un appareil ainsi que des modalités de financements de la recherche spécifiques. Ainsi, en 2005, la recherche et développement des NST était financée à la hauteur de 48,1 % par les gouvernements, de 46,6 % par les entreprises et 5,2 % par du capital risque pour un total investi sur l’année de 9,57 milliards de dollars^[28]. En suivant cette répartition, le pays arrivant en tête est les États-Unis (1,606 milliard de dollars), suivi du Japon (1,1 milliard de dollars), de l'Allemagne (413 millions de dollars), de l’Union européenne (269 millions de dollars), et de la Chine (250 millions de dollars). La France, quant à elle, arrive en 8^e position, en cumulant un total de 103 millions de dollars dédié à la recherche et développement des nanotechnologies^[28].

Structuration institutionnelle et institutions concernées

En Europe, le 7^e PCRD joue un rôle important dans l'organisation des recherches en NST à l'échelle du continent. Le 7^e Programme Cadre de Recherche et Développement est issu de la stratégie de Lisbonne, dont les objectifs généraux ont été décidés en 2000, qui définit les orientations économiques et politiques afin de doter l'Union européenne d’une économie de la connaissance compétitive et dynamique : « Les objectifs généraux du 7^e PC ont été regroupés en quatre catégories : Coopération, Idées, Personnes et Capacités. Pour chaque type d’objectif, il existe un programme spécifique correspondant aux domaines principaux de la politique de recherche de l’UE. Tous les programmes spécifiques œuvrent en commun pour promouvoir et encourager la création de pôles européens d’excellence (scientifique)^[29] ». L'Union européenne annonce plus d’un doublement des budgets alloués aux programmes cadres qui passeraient d’environ 20 milliards d’euros (entre 2002 et 2006) à 53,2 milliards (pour la période 2007 à 2013)^[30]. À ce titre, les nanotechnologies figurent en bonne position dans la catégorie Coopérations du 7^e PCRD, qui visent essentiellement à favoriser la création de partenariats entre différentes équipes de recherche européennes (et les pays partenaires), ainsi qu’à développer des recherches pluridisciplinaires et transversales^[30].

En symétrie avec le Programme cadre de l'Union européenne, les États-Unis ont défini la National Nanotechnology Initiative (NNI) qui a débuté en 2001. Contrairement à l’Union européenne, ce programme fédéral de Recherche et Développement est spécifiquement dédié aux nanotechnologies, mais vise également à coordonner les efforts des multiples agences qui travaillent à une échelle nanométrique en science et technologie^[31]. En 2008, le budget alloué à la NNI serait de 1,5 milliard de dollars, soit plus du triple des dépenses estimées pour l’année 2001 (464 millions de dollars)^[32].

Au regard des sommes investies, ce type de programme influe fortement sur la structuration des espaces de la recherche scientifique et sur la nature des collaborations engagées. En effet, c’est à partir d’axes initiaux de développement que sont définis des objectifs concrets qui amènent à construire des appels à projets.

À noter en matière de nanotechnologies, l'importance de la technopole grenobloise qui représente un bassin de recherche et d'ingénieurs unique en Europe dans ce domaine. Des pays émergents, notamment le Maroc, ont créé des zones prioritaires dédiées à la recherche en nanotechnologies.

Dangerosité

Les nanomatériaux ont été reconnus comme toxiques pour les tissus humains et les cellules en culture. Ils induisent un stress oxydant, des inflamations à la cytokine et la nécrose cellulaire^[3]. Contrairement aux particules plus large, les nanomatériaux peuvent être absorbés par les mitochondries^[4] et par le noyau cellulaire^[6][5] Des études ont démontré, la possibilité pour les nanomatériaux de causer des mutations de l'ADN^[5] et d'induire des changements majeurs à la structure mitochodrienne, pouvant conduire à la mort de la cellule^[4][7]. Les nanoparticules pouvaient être mortelles sur le cerveau des truites avec des effets comparable à un empoisonnement au mercure^[33].

Sociologie

Dans les sciences sociales, les NST se présentent encore comme un objet émergent. En France, le CNRS a créé une commission interdisciplinaire « Impacts sociaux des nanotechnologies » qui a fonctionné entre 2004 et 2007, mais n’a pas été renouvelée. Les travaux sur les usages effectifs sont inexistants, puisque les gens, pour la plupart dans l’ignorance de ce que sont les nanotechnologies, n’ont rien à en dire, qui fournirait matière à des entretiens et des questionnaires. Les sociologues se concentrent pour le moment sur l’analyse des discours qui sont tenus par les scientifiques et les hommes politiques (à l'exception des études de laboratoire, qui portent leur attention sur les changements de pratiques et d'organisation liés à l'émergence des nanotechnologies^[34]).

Projet de société des rapports scientifiques

Les NST impliquent une ingénierie d'assemblage qui associe étroitement science et technologie : elles permettent donc d'envisager les applications technologiques futures, lesquelles représentent des enjeux économiques considérables. Tous les laboratoires affichant leur appartenance au domaine des NST n'ont pas nécessairement infléchi leurs thématiques de recherche. Certains ont « re-labellisé » leur travaux en ajoutant le préfixe « nano » à l'intitulé de leur programme, sans rien changer sur le fond. Les NST alimentent ainsi un discours de la promesse, avec ses retombées économiques, mais aussi institutionnelles, politiques et idéologiques^[35]. Les sociologues analysant le contenu des rapports des institutions de la recherche constatent que depuis le début des années 2000 ceux-ci ne sont plus seulement diagnostiques : ils formulent un véritable projet de société^[36]. Le développement de ces nouvelles techniques est présenté comme irrésistible et conduisant naturellement au progrès social, selon une vision scientiste, c'est-à-dire mécanique, rationnelle et programmable de l'évolution des connaissances. Les développements technologiques sont présentés comme inévitables par des experts, qui sont suivis par les responsables politiques, induisant un développement tout aussi inéluctable de la société. Une science prédictive de la société permet de justifier les politiques à mettre en œuvre, y compris les actions correctives destinées aussi bien à limiter les risques qu'à réduire les résistances.

Débat sur les risques

Articles détaillés : Débat sur les nanotechnologies et nanotoxicologie.

Les nanotechnologies sont l'objet d’un débat de société, qui a d’abord été limité au milieu scientifique. Le débat est entré dans l'arène médiatique en 2000 avec l'article de Bill Joy « Pourquoi le futur n'a pas besoin de nous » dans la revue Wired, l'un des titres les plus connus de la cyberculture^[37]. Dans les pays industrialisés le débat public émerge à peine alors que de nombreux nanoproduits sont fabriqués et diffusés. C'est le cas aux États-Unis notamment^[38] ou au Royaume-Uni^[39].

Les enjeux et les risques induits par l’incorporation de matériaux nanotechnologiques^[40] (en particulier avec les nanoparticules^[41]) ainsi que les nouvelles applications qui seront permises par le biais de la maîtrise de la fabrication à l’échelle atomique, suscitent des inquiétudes.

Nanotoxicology, une revue scientifique publiée depuis 2007 par Taylor & Francis Group, est consacrée spécifiquement à l'étude de la toxicité des nanotechnologies^[42].

La possibilité pour les nanomachines de se reproduire elles-mêmes^{[réf. nécessaire]}, en mimant le vivant, implique également le risque d'une perte de contrôle à la suite de mutations non voulues ni prévues. La « gelée grise » est sans doute la peur la plus emblématique des nanotechnologies : un amas de nanoparticules qui, devenu autonome, voire organisé, pourrait tout détruire, y compris la croûte terrestre, pour se reproduire.^{[réf. nécessaire]} Toutefois, il est important de tempérer cette inquiétude, étant donné que les NST n'en sont qu'a leurs débuts. Bien que l'on ait déjà des exemples d'utilisations de ces dernières dans des produits commercialisés, elles n'interviennent pour l'instant qu'en termes de modification de propriétés de la matière ; la plupart des spécialistes du sujet considèrent que les applications des NST qui touchent aux « nanomachines » tiennent, pour le moins, du très long terme.

Réactions militantes

En France, les réactions au phénomène des nanotechnologies vont du questionnement à la dénonciation.

Réalisé en 2007, le documentaire "Le Silence Des Nanos" de Julien Collin se veut "une mise en questionnement critique et néanmoins rationnelle de l'activité scientifique et du développement technologique d'un point de vue anthropologique, philosophique et politique". ^[43]

Plus engagé, le "groupe Marseille-Aix" de l'Association Internationale Jacques Ellul, recadre les recherches sur les nanotechnologiques dans le contexte du transhumanisme, phénomène qu'il explique^[44] lui-même selon les thèses exprimées dès le milieu du XXe siècle par le sociologue Jacques Ellul. Celui-ci considère que la technique a changé de statut : elle a cessé d'être "un vaste ensemble de moyens assignés chacun à une fin", elle s'est muée en "milieu environnant à part entière" pour devenir "un phénomène complètement autonome (...) échappant de plus en plus au contrôle de l'homme et faisant peser sur lui un grand nombre de déterminations"^[45]. Ellul précise qu'on ne peut critiquer la technique sans se référer à des considérations métaphysiques : "Ce n'est pas la technique qui nous asservit mais le sacré transféré à la technique"^[46] tandis que la politique, face à ce sacré ne peut-être qu'impuissante et même "illusoire" ^[47]

Plus ancré dans le champ politique, misant sur une réaction citoyenne mais se défendant d'être technophobe, le collectif grenoblois Pièces et main d'oeuvre voit dans les nanotechnologies l'expression d'un nouveau totalitarisme^[48]

Chronologie

• 1911 : Première utilisation du préfixe « nano » par un scientifique
• 1956 : choix du préfixe « nano » par le BIPM comme une sous unité du mètre
• 1959 : Richard Feynman tient son discours au Caltech où il déclare « There is Plenty of Room at the Bottom » (Il y a beaucoup d'espace en bas, sous-entendu : à étudier)
• 1974 : Première mention du terme nanotechnologie, forgé par Norio Tanigushi
• 1974 : Invention de la diode moléculaire par A. Aviram et M. Ratner
• 1981 : Invention du microscope à effet tunnel
• 1985 : Découverte des fullerènes
• 1986 : Invention du microscope à force atomique par des chercheurs d'IBM à Zurich
• 1986 : Parution de « Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology », de Kim Eric Drexler
• 1987 : La pointe du microscope à effet tunnel est utilisé par des chercheurs d'IBM pour faire commuter un seul interrupteur moléculaire
• 1990 : Des chercheurs d'IBM écrivent le nom de leur société avec 35 atomes de xénon à l'aide d'un microscope à effet tunnel
• 1991 : Découverte des nanotubes
• 1995 : Premier contact électrique sur une seule molécule
• 1997 : Premier amplificateur réalisé avec une seule molécule
• 1998 : Première observation de la rotation d'une molécule rotor de 1 nm de diamètre
• 2001 : Premier transistor réalisé avec un nanotube
• 2001 : Invention de la molécule brouette par des chercheurs toulousains
• 2003 : Millipede, prototype de système de stockage de données, réalisé par IBM, et utilisant des perforations nanométriques
• 2004 : Premiers microprocesseurs gravés avec une finesse de 0,09 µm, soit 90 nm, chez Intel et AMD
• 2005 : Intel construit des transistors de 65 nm
• 2006 : Intel est en phase de test pour la gravure en 45 nm qui devrait arriver en 2007
• 2007 : Invention du premier dispositif mécanique moléculaire : un pignon le long d'une crémaillère
• 2011 : Intel commercialise les Sandy Bridge gravés en 32 nm

Notes et références

1. ↑ The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, « Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties », 2004, p. p5
2. ↑ CEA, « Nanoscience-nanotechnologie », Ministère de la Recherche. Consulté le 15 mai 2007
3. ↑ ^{a et b} Günter Oberdörster, « Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials: elements of a screening strategy », dans Particle and Fibre Toxicology, vol. 2, 2005, p. 8 [lien PMID, lien DOI] 
4. ↑ ^{a, b et c} Li N, Sioutas C, Cho A, et al., « Ultrafine particulate pollutants induce oxidative stress and mitochondrial damage », dans Environ Health Perspect., vol. 111, n^o 4, avril 2003, p. 455–60 [texte intégral, lien PMID, lien DOI] 
5. ↑ ^{a, b et c} Marianne Geiser, « Ultrafine Particles Cross Cellular Membranes by Nonphagocytic Mechanisms in Lungs and in Cultured Cells », dans Environmental Health Perspectives, vol. 113, n^o 11, November 2005, p. 1555–60 [lien PMID, lien DOI] 
6. ↑ ^{a et b} Alexandra E. Porter, « Visualizing the Uptake of C₆₀ to the Cytoplasm and Nucleus of Human Monocyte-Derived Macrophage Cells Using Energy-Filtered Transmission Electron Microscopy and Electron Tomography », dans Environmental Science and Technology, vol. 41, n^o 8, 2007, p. 3012–7 [lien DOI] 
7. ↑ ^{a et b} Radoslav Savic, « Micellar Nanocontainers Distribute to Defined Cytoplasmic Organelles », dans Science, vol. 300, n^o 5619, 25 April 2003, p. 615–8 [lien PMID, lien DOI] 
8. ↑ http://www.irsst.qc.ca/files/documents/PubIRSST/R-455.pdf
9. ↑ http://www.cordis.lu/nmp/home.html et http://www.irsst.qc.ca/files/documents/PubIRSST/R-455.pdf (page 2)
10. ↑ ...a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be done...
11. ↑ Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?
12. ↑ Erreur dans la syntaxe du modèle ArticleJean-Baptiste Waldner, « Nanocomputers & Swarm Intelligence », dans , ISTE, 2007, p. 90 (ISBN 9781847040022) 
13. ↑ Erreur dans la syntaxe du modèle ArticleJean-Baptiste Waldner, « Nano-informatique et Intelligence Ambiante - Inventer l'Ordinateur du XXIème Siècle », dans , Hermes Science, 2007, p. 83 (ISBN 2746215160) 
14. ↑ Pour la Science : Nanosciences, n^o 290, Belin, Paris, décembre 2001
15. ↑ Hullmann A, « Who is winning the global nanorace? », dans Nature Nanotechnology, vol. 1, 2006, p. 81-83 [lien DOI] 
16. ↑ Bonaccorsi A et Thoma G, « Scientific and Technological Regimes in Nanotechnology: Combinatorial Inventors and Performance », dans Laboratory of Economics and Management, 2005, p. 43 p. 
17. ↑ Hullmann A, « The economic development of nanotechnology - An indicators based analysis », dans European Commission, DG Research, 2006, p. 34p. 
18. ↑ Nanodistrict group, « Nanodistrict Positioning paper », 2007. Consulté le 22 septembre 2007
19. ↑ Méthode et localisation d'un échantillon des firmes qui investissent dans les nanotechnologies dans le monde
20. ↑ OECD, « Bibliometric Indicators of Nanoscience Research », dans NESTI, vol. 12, 2006, p. 20p. 
21. ↑ Le Cemes est un laboratoire de recherche du CNRS dédié à l'étude de l'infiniment petit, CNRS
22. ↑ Science & vie junior #215, août 2007, p.44
23. ↑ Michael Gleiche, Holger Hoffschulz, Steve Lenhert, Nanotechnology in Consumer Products, Nanoforum.org European Nanotechnology Gateway, 2006 [lire en ligne], p. 8-9 
24. ↑ Jean-Baptiste Waldner, "Nanocomputers & Swarm Intelligence", ISTE, 2008 (ISBN 978-1-84704-002-2) 
25. ↑ Maynard A et Michelson E, « The Nanotechnology Consumer Products Inventory », dans Wilson Center and The Pew Charitable Trusts, 2006, p. 10 p. 
26. ↑ (en) David M. Berube, Nano-hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz, Amherst, Prometheus Books, 2006, relié (ISBN 978-1-59102-351-7) 
27. ↑ Peter Bird, « Sources of Funding - Societal Dynamics of Nanotechnology », Clarkson University, 2006. Consulté le 22 septembre 2007
28. ↑ ^{a et b} (en) National Research Council of the National Academies, A Matter of Size : Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative, Washington, The National Academy Press, 2006 (ISBN 978-0-309-10223-0) [lire en ligne], p. 46-47 
29. ↑ CORDIS, « Comprendre le 7e PC », Office des publications, 2006. Consulté le 24 septembre 2007
30. ↑ ^{a et b} Commission européenne Direction générale de la Recherche, Le 7ème programme Cadre : placer la recherche européenne au premier plan, Office des publications, 2007 [lire en ligne], p. 2-5 
31. ↑ National Nanotechnology Initiative, « About the NNI ». Consulté le 24 septembre 2007
32. ↑ National Nanotechnology Initiative, « National Nanotechnology Initiative: FY 2008 Budget & Highlights », National Science and Technology Council, 2007. Consulté le 24 septembre 2007
33. ↑ Les nanoparticules endommagent le cerveau des poissons, Science et Avenir, 19 septembre 2011
34. ↑ http://www.ethnographiques.org/2006/Vinck ; http://rac.inra-ifris.org/index.php/rac/article/viewFile/24/13
35. ↑ Revue Quaderni, 61, automne 2006, "La fabrique des nanotechnologies".
36. ↑ Marc Chopplet, in Quaderni, op. cit.
37. ↑ Billy Joy, « Why the future doesn't need us », Wired, 8.04, April 2000. Texte disponible sur : http://www.wired.com/wired/archive/8.04/joy.html
38. ↑ Rapport ADIT : Comment maîtriser les risques posés par les nanotechnologies : l'approche américaine, de Roland Herino et Rémi Delville, du 25/10/2006 - 12 pages (PDF 616 Ko)
39. ↑ Premier rapport gouvernemental britannique sur les risques liés aux nanoparticules, Publié le 1/02/2006 - 8 pages - PDF 190 Ko, via l'Ambassade de France/ADIT
40. ↑ Comité scientifique des risques sanitaires émergents et nouveaux, « Les méthodologies qui existent pour évaluer les risques liés aux nanoparticules sont-elles appropriées ? », Commission européenne, 2006. Consulté le 28 avril 2009
41. ↑ Comité de la Prévention et de la Précaution, « Nanotechnologies, nanoparticules : quels dangers ? quels risques ? », Ministère de l'écologie, du développement et de l'aménagement durables, 2006. Consulté le 28 avril 2009
42. ↑ La revue Nanotoxicology sur le site de l'éditeur Taylor & Francis Group.
43. ↑ http://www.les-renseignements-genereux.org/videos/4139
44. ↑ http://jacques-ellul-marseille-aix.org/documents2012/transhumanisme_argument.pdf
45. ↑ Jacques Ellul, La technique ou l'enjeu du siècle, 1954. 3ème édition Economica, 2008
46. ↑ Jacques Ellul, Les Nouveaux possédés, 1973. 2ème édition, Les mille et un nuits, 2003
47. ↑ Jacques Ellul, L'illusion politique, 1965. 3e édition, La Table Ronde, 2004
48. ↑ Aujourd'hui le nanomonde. Nanotechnologies, un projet de société totalitaire, L'Echapée, ISBN 2844052266

Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

• « Nanotechnologie », sur Wikiquote (recueil de citations)

Voir aussi une liste de revues scientifiques de nanosciences

• CILAS

Bibliographie

Livres

• Marina Maestrutti (2011), Les imaginaires des nanotechnologies. Mythes et fictions de l'infiniment petit, Vuibert, Paris (ISBN 978-2-311-00475-5).
• Brice Laurent (2010), Les Politiques des nanotechnologies, éditions Charles Léopold Mayer, Paris (ISBN 978-2-84377-154-5).
• Bernadette Bensaude-Vincent (2009), Les vertiges de la technoscience. Façonner le monde atome par atome, La Découverte, Paris, (ISBN 978-2843771545).
• Christian Joachim, Laurence Plévert (2008), Nanosciences. La révolution invisible, Seuil, Paris, (ISBN 978-2-02-086703-0).
• (en) Mark R. Wiesner and Jean-Yves Bottero (2007), Environmental Nanotechnology : Applications and Impacts of Nanomaterials, Mc Graw Hill, New York, (ISBN 978-0-07-147750-5).
• Dominique Luzeaux et Thierry Puig (2007), À la conquête du nanomonde. Nanotechnologies et microsystèmes, Éditions du Félin. (ISBN 978-2-86645-643-6).
• Yan de Kerorguen (2006), Les Nanotechnologies, espoir, menace ou mirage ?. Éditions Lignes de repères, 157 pages, (ISBN 2-915752-14-1).
• (en) Kurzweil,Ray. (2006), Promise and Peril - The Deeply Intertwined Poles of 21st Century Technology, Communications of the ACM, Vol. 44, Issue 3, p. 88-91.
• Jean-Baptiste Waldner (2006), Nano-informatique et Intelligence Ambiante, Hermes Science, London, (ISBN 2-7462-1516-0).
• Pièces et Main d'Œuvre, Nanotechnologies/Maxiservitudes, L'Esprit frappeur, 2006, 133 pages, (ISBN 2844052266).
• Michel Wautelet (2003), Les Nanotechnologies, (ISBN 2-10-007954-9).
• Michael Crichton (2002), La Proie, roman.
• Jean-Louis Pautrat (2002), conseiller en communication de Minatec, Demain le nanomonde : Voyage au cœur du minuscule, (ISBN 2-213-61336-2).
• Mark Ratner, Daniel Ratner (2003), Nanotechnologies - La révolution de demain, (ISBN 2-7440-1604-7).
• Eric Drexler (1986), Engins de création, (ISBN 2-7117-4853-7).
• (en) N. Taniguchi (1974), On the Basic Concept of 'Nano-Technology', Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering.

Articles

• Jean-Pierre Dupuy, « Le risque inouï des nanotechnologies », L'Écologiste, n^o 10, juin 2003, p. 70-72. L'un des articles clefs du premier dossier critique de la presse française sur les nanotechnologies.

Articles connexes

• Débat sur les nanotechnologies
• Nanoparticule

Liens externes

• « Nanotechnologies et Santé », dossier du CNRS (2007)
• Dossier du CEA consacrés aux nanos (2005)
• « Les Nanotechnologies », avis du Conseil économique, social et environnemental (2008)
• « L'avenir des nanotechnologies », conférence d'Etienne Klein à l'Institut Diderot, le 12 janvier 2010.
• « Nanotechnologie : les incroyables application » Futura-Sciences