Introduction

Je vais effectivement vous parler de la nanotechnologie. En préparant cette présentation, j’ai découvert que le mot existait dans le dictionnaire, avec un sens un peu différent du mien (il y est question de l’application de la microélectronique à la fabrication de structures à l’échelle du nanomètre). En fait, ce dont je vais vous parler ce soir est plus précisément défini par le terme de nanotechnologie moléculaire.

Si cette technologie est effectivement mise au point, elle engendrera des bouleversements d’une ampleur difficilement prévisible aujourd’hui, aussi bien dans les domaines techniques, qu’économiques et sociaux.

Ils dépasseront en tout cas ceux engendrés par les révolutions industrielles mécaniques et informatiques des deux siècles précédents combinées, et dans une période beaucoup plus courte !

Il est encore impossible de répondre avec certitude à la question de la date à laquelle cette révolution "nanotechnologique" interviendrait.

Toutefois, les estimations de la plupart des scientifiques travaillant dans le domaine, vont de 10 à 20 ans pour la mise au point de la première percée technique majeure (du «breakthrough»). Il se peut, bien sûr, que des difficultés surgissent pendant les recherches, et qu’il faille plus longtemps pour y arriver, mais, à terme plus ou moins proche, cette révolution semble inéluctable.

On peut tracer un parallèle avec une autre réalisation technologique difficile et importante : la réalisation de la bombe atomique. Nous nous situerions alors, sans doute, vers la fin des années 1930. C’est-à-dire que la partie théorique est suffisamment développée pour être pratiquement certain de la faisabilité, par contre, il reste de nombreux problèmes techniques complexes à résoudre. Et le chemin permettant d’y arriver n’est pas connu précisément. Plusieurs voies de recherches sont en cours d’étude aujourd’hui. De même, la durée et la quantité d’efforts à fournir pour y arriver est encore uniquement supputée.

Après cette introduction, vous devez penser que j’exagère fortement l’importance de ces recherches encore très peu connues, voire que je fabule entièrement, mais j’espère avoir réussi à éveiller votre curiosité !

Je vais maintenant vous expliquer ce que l’on entend par nanotechnologie moléculaire, faire un bref état des recherches actuelles et vous décrire quelques conséquences techniques qui peuvent être envisagées.

Je répondrais autant que je le pourrais à vos questions après ma présentation, toutefois, si vous souhaitez une précision ou un éclaircissement, n’hésitez pas à m’interrompre en cours de route !

Qu'est-ce que la nanotechnologie ?

Depuis que l’humanité existe, nous fabriquons et nous utilisons des outils manufacturés.

D’un certain point de vue, on peut dire que les techniques de fabrication ont peu changé depuis les temps préhistoriques! En effet, la fabrication d’un objet nécessite le plus souvent l’extraction de matières premières en assez grande quantité, tout un processus de travail sur ces matériaux (de chauffage, d’application de pression, de processus chimiques), d’assemblage (par soudure, par attaches, par collage) avant d’obtenir l’objet désiré, qui peut être par exemple une voiture, un ordinateur, une feuille de papier ou même un steak tartare.

Pendant tout ce processus de fabrication, une grande quantité d’énergie est utilisée, et une grande quantité de déchets est généralement produite (malgré les progrès dans le recyclage).

Indépendamment, la tendance est au contrôle de plus en plus fin de la matière fabriquée (on grave aujourd’hui des sillons de largeur inférieure au micromètre sur les puces informatiques (100 fois plus fin qu’une feuille de papier). Les capteurs mécaniques de chocs pour les coussins à air dans les voitures sont ainsi gravés directement sur les puces informatiques (cf illustration ci-contre). Il s’agit là de la nanotechnologie, telle qu’elle était définie dans mon dictionnaire.

Les techniques les plus récentes permettent de graver des lignes de 80 nanomètres! (1000 fois plus fin qu’une feuille de papier!)

Richard Feynman, le prix Nobel américain de physique, s’est demandé jusqu’où pouvait aller cette miniaturisation et ce contrôle de la matière. Lors d’une conférence qu’il a donné en 1959, il a établit les bases de ce qui allait devenir 20 ans plus tard la nanotechnologie moléculaire (voir le texte de la conférence en annexe).

Il a alors suggéré que les lois physiques autorisaient la manipulation et le positionnement, direct et contrôlé, des atomes et des molécules, individuellement, un par un. Qu’il était tout à fait possible d’utiliser les atomes comme briques de construction, à la manière de briques de Lego (en tenant compte des forces s’exerçant entre eux, évidemment).

Il s’agissait là d’une idée extrêmement originale. Après tout, l’existence des atomes n’avait été totalement reconnue par la communauté scientifique que peu de temps auparavant !

Toute la matière, les maisons, le papier, les liquides, l’air, et nous-mêmes sommes constitués d’atomes.

En fait, tout ce que nous pouvons voir, toucher, ou sentir est constitué d’un nombre assez faible d’atomes différents (quelques dizaines). L’air est principalement composé d’atomes d’oxygène, d’azote et de carbone. L’eau est composée d’atomes d’hydrogène et d’oxygène. Les êtres vivants sont principalement composés d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.

Ce qui fait qu’un arbre est différent d’un homme, ou un ordinateur d’un peu de sable est, bien sûr, l’organisation de ces quelques sortes d’atomes. La différence d’agencement entre les atomes est, par exemple, l’unique différence entre un diamant et un morceau de charbon, tous deux constitués uniquement d’atomes de carbone.

Jusqu’à présent, toutes les méthodes de fabrication manipulent les atomes en très grande masse. Même la fabrication ultra fine des puces informatiques traite les atomes de façon statistique.

Car les atomes sont extraordinairement petits par rapport à notre échelle. Par exemple, dans l’épaisseur de cette feuille de papier –je l’ai mesuré, elle fait environ un dixième de millimètre d’épaisseur–, il est possible d’empiler environ 400.000 atomes de métal.

Il y a donc beaucoup de place à cette échelle !

En fait, pour en fournir une image plus concrète, Feynman avait donné l’exemple suivant : en utilisant un cercle d’une superficie de 1000 atomes par point d’impression, il serait possible d’imprimer toutes les pages de l’Encyclopedia Brittanica sur la tête d’une épingle.

Feynman continue en montrant qu’en fait, il y a tellement de place à si petite échelle, que, si l’on savait manipuler les atomes individuellement, il serait possible d’enregistrer tout ce que l’humanité a écrit jusqu’à présent dans un cube d’un dixième de millimètre de côté : c’est-à-dire dans une poussière !

Le but de la nanotechnologie moléculaire, et des recherches en cours actuellement, est d’arriver à ce contrôle précis et individuel des atomes.

Etat de la recherche actuelle, Voies explorées

Avant de vous donner quelques exemples des applications envisagées, si nous pouvions réellement manipuler les atomes comme nous l’entendons, voyons un aperçu de la faisabilité, des réalisations déjà effectuées et des perspectives de la recherche actuelle.

Tout d’abord, on peut se demander s’il est possible de manipuler précisément les atomes, pour les placer où bon nous semble ?

N’y a-t-il pas de problème de principe insurmontable (comme le principe d’incertitude quantique, ou bien l’agitation continuelle des atomes à la température ambiante, etc.) ?

Ou bien encore un problème technique (il est par exemple impossible de lubrifier un essieu à cette échelle, car les atomes du lubrifiant seraient à peu près de la taille de l’essieu! Un roulement à billes est difficilement envisageable car la surface de la bille ne serait pas plane, mais constituée des bosses des atomes, etc.) ?

Un autre problème pratique résulte de la taille, elle-même, des atomes. Si nous arrivions à manipuler les atomes un par un, la fabrication d’un objet à notre échelle ne prendrait-elle pas trop longtemps? (Assembler une feuille de papier, en ajoutant un million d’atomes par seconde, prendrait plus de 13 milliards d’années ! [une feuille de métal, du format d’une feuille de papier A4 contient environ quatre cent mille milliards de milliards d’atomes (4 x 10 ²³: 4 suivi de 23 zéros!)]).

Enfin, même si ces problèmes étaient surmontés, il reste à établir un programme de recherche permettant d’arriver à cette technologie.

Sur le problème de la faisabilité, les scientifiques ayant étudié la question, dont Richard Feynman, ont affirmé qu’il n’y avait pas d’impossibilité de principe. Jusqu’à aujourd’hui, personne n’a émis de critique sérieuse contre cette idée, et plusieurs chercheurs ont fait des calculs de faisabilité, des simulations sur ordinateur... qui restent bien sûr encore théoriques.

Eric Drexler, le premier chercheur après Feynman à avoir redécouvert et diffusé le concept de la nanotechnologie, au début des années 80, a écrit un ouvrage analysant en détail les interactions atomiques, dans le but de fabriquer des nano-machines (Nanosystems, Molecular Machinery, Manufacturing and Computation).

Il a également créé l’institut américain Foresight qui a pour objectif de sensibiliser les chercheurs et le public à l’arrivée prochaine de cette technologie, et d’essayer de se préparer à ses conséquences, et à ses dangers.

Dans Nanosystems, Drexler analyse, entre autres, les problèmes liés à l’agitation thermique des atomes. La chaleur n’est en fait rien d’autre que la vibration plus ou moins forte des atomes. Plus la chaleur est élevée, plus les atomes vibrent violemment. Nous pouvons donc craindre qu’un appareil fait de quelques atomes liés entre eux, comme l’essieu évoqué plus haut, ne se casse, ou fonctionne mal, à la température ambiante.

Drexler, suivi par d’autres chercheurs, a donc calculé les forces s’exerçant dans de tels systèmes. En fait, des logiciels de création de molécules ont été améliorés dans ce but, et permettent de simuler les interactions entre les atomes, la stabilité de la structure, etc.

Par ailleurs, beaucoup de progrès pratiques ont été réalisés ces dernières années. Plusieurs types d’appareils manipulant directement les atomes, de façon encore assez rudimentaire, sont apparus. Vous avez peut-être vus cette photo ou l’on voit les lettres IBM écrites avec des atomes, ou bien celle, plus récente, représentant un boulier?

Ces appareils, permettant de voir et de manipuler les atomes individuellement, sont appelés microscope à effet tunnel, et microscope à force atomique (STM, AFM). Ils permettent non seulement de visualiser les atomes d’une surface, mais aussi de les déplacer, en les poussant, en les arrachant à la surface, etc. Le principe général de ces appareils, est finalement assez semblable à celui des anciens tourne-disques, ou une pointe est posée sur le sillon du disque! Dans ces microscopes, la pointe est normalement terminée par un unique atome, en relation avec la surface à observer. L’appareil déplace la pointe, en la maintenant à une altitude constante au dessus de l’échantillon observé. En déplaçant la pointe le long de lignes horizontales successives, il est possible de déduire la topographie de la surface.

De nombreux problèmes pratiques se posent, bien sûr. L’appareil doit être isolé de toute vibration, la pointe de mesure est elle-même constituée d’atomes et interagit parfois différemment selon les types d’atomes observés, elle peut interagir avec plusieurs atomes à la fois, etc., ce qui rend les résultats parfois difficiles à interpréter. De plus, les manipulations se font souvent à très basse température pour éviter les vibrations thermiques déjà évoquées, et dans une atmosphère raréfiée afin d’éviter que les atomes de l’air ambiant ne viennent percuter en permanence l’échantillon observé, etc.!

Pour l’instant tout cela tient encore beaucoup du bricolage et du tâtonnement, mais les modèles théoriques s’affinent, et les outils sont mieux maîtrisés chaque jour (par exemple, les lettres IBM avait été réalisées à -270°C, le boulier atomique a été réalisé à température ambiante).

Malgré tous ces problèmes, les champs d’applications de ces appareils sont en grand développement. Plusieurs sociétés commerciales ont été fondées pour vendre ces équipements (voir les références en annexe).

Enfin, pour finir avec le problème de faisabilité de la nanotechnologie, on peut aussi remarquer que nous sommes la preuve que la nanotechnologie est possible! En effet, les êtres vivants sont constitués de véritables machines moléculaires (ADN, ARN, ribosomes, etc.), qui fonctionnent à l’échelle atomique, et agencent de façon extrêmement précise les atomes et les molécules qui constituent les êtres vivants... avec finalement beaucoup de succès!

Brin d’ADN (environ 2,3 nm de large) (source : Nanotechnology - BC Crandall)

Par ailleurs, l’évolution naturelle a également résolu le problème de création d’êtres de notre taille, atome par atome, dans un délai assez raisonnable! Et ceci, par un moyen qu’il serait facile de reproduire dans nos nanomachines : la croissance géométrique.

Lorsque la première cellule du futur embryon est créée, elle se dédouble, puis les deux cellules se dédoublent à leur tour, et ainsi de suite.

Pour reprendre l’exemple de la fabrication d’une feuille de papier qui prenait 13 milliards d’années à se fabriquer atome par atome, si nous la fabriquions de cette façon : une nanomachine se dédoublant, puis les deux obtenues se dédoublant à leur tour, encore et encore, il suffirait de moins de deux minutes pour créer la feuille entière!

Afin de pouvoir fabriquer autre chose que des copies d’elle-même, il est, bien sûr, indispensable qu’elle puisse également fabriquer d’autres structures!

Les programmes de recherches ont donc pour but de fabriquer une première version de cette nanomachine appelée : un assembleur. Cet assembleur serait une machine contenant quelques millions d’atomes, intégrant au moins un bras manipulateur permettant de placer les atomes un par un à l’endroit voulu.

Une fois cette première version fabriquée, même de façon assez rudimentaire, même en peu d’exemplaires, il sera possible d’en fabriquer d’autres plus évoluées, et de réaliser les premières nanomachines...

Plusieurs voies d’accès différentes à ce premier assembleur sont actuellement poursuivies, dont :

• la construction directe à l’aide des microscopes évoqués auparavant,
• l’auto-assemblage par ingénierie génétique.

Autant vous le dire tout suite : aucune de ces voies n’est proche d’arriver au résultat espéré dans les jours qui viennent !

Le moyen de commande du premier assembleur n’est de même que très schématiquement proposé. (Les générations futures d’assembleurs pourront avoir leur propre " nano-ordinateur " embarqué permettant leur commande, mais les assembleurs des premières générations devront, d’une façon ou d’une autre, être télécommandés.)

Les mécanismes de fourniture des atomes et molécules servant de matériaux de construction à l’assembleur, nécessitent également encore des études...

D’autre part, les microscopes d’aujourd’hui peuvent manipuler quelques atomes, mais il est difficilement envisageable de les utiliser pour fabriquer directement une machine contenant plusieurs millions d’atomes...

L’auto-assemblage par ingénierie génétique permet d’utiliser les outils modernes de manipulation de morceaux d’ADN. Plusieurs laboratoires ont ainsi réussi à fabriquer des structures en créant et en liant plusieurs brins d’ADN entre eux, et il est peut-être possible de créer un premier assembleur constitué de morceaux d’ADN. Toutefois la façon de le réaliser m’apparaît, à la lecture des travaux en cours, encore plus floue...

Un axe de recherche lié au domaine est celui des fullerènes. Vous connaissez peut-être ces molécules de carbone nouvellement découvertes (et qui ont valu le prix Nobel à Richard Smalley, un des principaux promoteur de la nanotechnologie moléculaire)? Les applications de ces molécules sont nombreuses, y compris dans l’amélioration des outils de manipulation des atomes. Les chercheurs essaient pour l’instant de mettre au point des méthodes de production industrielles de ces structures.

Enfin, un axe de recherche parallèle, est celui de la conception sur ordinateur de structures moléculaires, de nano-machines et de nano-ordinateurs.

Ces quelques exemples disparates des recherches en cours sont un faible échantillon de l’activité intense et brouillonne qui existe actuellement dans le domaine. De nombreux documents sont disponibles sur Internet (une liste d’adresses est jointe en annexe).

L’arrivée de ces techniques, d’ici dix, vingt ou trente ans bouleversera les moyens de production, ainsi que, je pense, tous les domaines de l’existence humaine.

Comment se fera cette transition? Arriverons-nous à en maîtriser les dangers? C’est bien sûr impossible à dire, mais je pense qu’il est urgent de s’y préparer.

Depuis Avril 1998, la nanotechnologie est identifiée comme secteur technologique de première importance dans le monde. Ainsi, le Japon et les États-Unis ont-ils lancé des programmes de financement de recherche citant explicitement la nanotechnologie moléculaire.

Des programmes européens ont également été lancés. La nanotechnologie a été citée dans le communiqué de presse du Premier Ministre de Juin 1999 et dans différentes publications officielles françaises et européennes (chercher "Nanotechnologies" sur le site de l'Assemblée nationale, ou sur le site de l'Union Européenne).

Pour l'instant, la pluspart de ces initiatives concernent des applications à court terme de la nanotechnologie (principalement de nouveaux matériaux), mais sont restent encore peu sensibilisés aux enjeux de la nanotechnologie moléculaire.