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La nanotechnologie Introduction • La recherche de l’infiniment petit, dans les laboratoires publics, les universités et les industriels, connaît un grand essor. Les technologies sont de plus en plus précises, et le besoin de construire plus sur une plus petite surface permet d’introduire la science de la nanotechnologie, c’est à dire la science de l’ordre du nanomètre. Ce secteur pourrait être déterminant dans les industries de demain. • Problématique : Comment les nanotechnologies pourront nous aider à mieux vivre ? • Nous traiterons d’abord la notion générale de nanotechnologie, sa définition, son origine. Puis, dans une deuxième partie, on étudiera une application de la nanotechnologie dans les transistors, puis on montrera comment la nanotechnologie peut être utile pour le corps humain, et enfin, comment il est possible de manipuler aussi précisément les atomes.
Retour au sommaire Sommaire Introduction à la nanotechnologie Les nano-transistors La nanotechnologie Les bio puces La manipulation des atomes Quelques autres applications à la nanotechnologie C Q Conclusion
Introduction à la nanotechnologie • Dans cette partie nous allons expliquer ce qu’est la nanotechnologie en général, tout en comparant un objet de la taille du nanomètre, à d’autres échelles de dimension. Nous verrons aussi qui fût l’un des pionniers, ou du moins l’une des figures que l’on peut associer aux nanotechnologies.
Introduction à la nanotechnologie • Qu’est ce que la nanotechnologie ? • La nanotechnologie: la naissance d’une idée
• Qu’est ce que la nanotechnologie ? Définition générale • Le préfixe nano- désigne la mesure du milliardième de millimètre, que l’on peut comparer au diamètre d’un cheveux divisé par 100 000. • La nanotechnologie désigne donc l’ensemble des théories, techniques et mécanismes qui visent à produire et manipuler des objets de l’ordre du nanomètre. Cette taille est aussi comparable à celle des atomes. • On distingue deux méthodes générales pour la construction d’objets nanofacturés : • Le top-down: On part du haut et on va vers le bas. C’est la miniaturisation : le système est déjà construit, mais on essaie d’utiliser des matériaux plus efficaces. On utilisera par exemple des supraconducteurs pour construire des nanotransistors, en limitant la surchauffe due à l’effet joule. Mais pour l’industrie, aux alentours de 10 nm, les techniques deviennent trop coûteuses. On arrive à la limite. Mais cela ne suffit pas, il faut faire plus petit. • L’approche bottom-up : de bas en haut, on part des atomes pour construire des systèmes plus complexes, de taille supérieure. On peut construire par assemblage, à l’aide du microscope par effet tunnel, ou par auto-assemblage. Il existe une infinité de domaines dans lesquelles la nanotechnologie est applicable. On étudiera en particulier les biopuces et les nanotransistors.
Un ordre de grandeur Cliquez sur l’image pour l’animation flash Appuyez sur échap pour réduire la fenêtre
Un ordre de grandeur • Les objets nanofacturés simples, tel que les nanotubes de carbone sont 1 000 000 fois plus fins qu’un cheveux. • Des machines plus petites qu'un grain de poussière ont déjà été construites. Imaginez que le grain de poussière soit une pièce d'un appartement standard : la machine microtechnologique est grosse comme une orange. Cependant, pour les scientifiques et les ingénieurs c'est encore beaucoup trop grand!
• Nanotechnologie: la naissance d'une idée Richard Feynman. Un discours visionnaire • « Pourquoi ne pourrait-on pas écrire la totalité de l’Encyclopaedia Britannica sur la tête d’une épingle ? » • « Les principes de la physique, pour autant que nous puissions en juger, ne s'opposent pas à la possibilité de manipuler des choses atome par atome .» Richard Feynman • Le signal de départ dans la course de la miniaturisation extrême est donné en 1959 par Richard Feynman, prix Nobel américain de physique. En effet, il s’est demandé jusqu’où pouvait aller la miniaturisation et ce contrôle de la matière. Lors d’une conférence donnée au California Institute of Technologyn ( CalTech ), en 1959, Feynman envisageait la possibilité de faire tenir tout le contenu de l'encyclopédie Britannica sur la tête d'une épingle et de réorganiser la matière atome par atome. • Les moyens de miniaturisation n’existaient pas encore. Richard Feynman établit les bases de ce qui allait devenir 20 ans plus tard la nanotechnologie moléculaire.
Toute l’encyclopédie britannica tient sur ce composant constitué de milliard de perforation
Conclusion • La nanotechnologie est donc la science de l’infiniment petit. En imaginant de construire des objets dont la taille avoisine celle d’une molécule, il apparaît possible de réduire de façon considérable la taille de nos appareils actuels. Peut-on considérer que cela peut nous aider à mieux vivre ? Dans une certaine mesure, oui. Car on pourra par exemple utiliser la nanotechnologie pour effectuer des analyses du corps humain de l’intérieur, en construisant par exemple des nano capteurs. On pourra aussi, par exemple, construire des ordinateurs beaucoup performants, comprenant en effet beaucoup plus de composants. • Dans cet ordre, on étudiera le cas des nano-transistors, et ensuite, l’utilisation des biopuces.
Les nano-transistors • Les transistors se trouvent partout : ordinateurs, téléphone portable, baladeurs cd… et sont maintenant des composants essentiels en électronique. Nos besoins en nombre de transistor augmentent chaque mois. Aussi, est-ce que la nanotechnologie permettra un véritable essor des transistors, par la création en chaîne de nano-transistors ? • Nous étudierons dans cette partie l’origine des nano-transistors, et leur application, puis nous mettrons en avant les possibilités qu’offrent ces nano-transistors, mais aussi les problèmes liés à leur miniaturisation.
Les nano-transistors • L’origine des transistors • Les nano transistors • Les limites de la miniaturisation
L’origine des transistors • Le transistor a été inventé en 1948 par les Américains BARDEEN, SHOCKLEY et BRATTAIN. Moins encombrant et consommant peu d’énergie, il remplace les lampes triodes. • Les transistors sont des composants électroniques formés de semi-conducteurs, et utilisés comme amplificateurs ou interrupteurs d’un signal électrique ( en utilisant le code binaire : 1 ou 0). Quand un transistor est dans l'état bloqué, il empêche le courant de passer mais lorsqu'on y applique une faible tension, il le laisse passer. • Le premier microprocesseur d’Intel, le 4400, conçu en 1971 comportait 2300 transistors sur une surface de silicium de 13.4 mm². Un Pentium 4 en contient aujourd'hui 55 millions sur 146 mm². • Les transistors sont mieux connus sous le nom de “ chevaux de trait ” de l'industrie informatique. Ensemble, des millions de transistors tenant sur une seule puce de silicium peuvent aider à exécuter des fonctions logiques ou enregistrer des informations.
Les nano-transistors • Dans notre quotidien les transistors se trouvent partout : ordinateurs, téléphones portables, audiovisuel numérique fixe et portable, électronique dans l’automobile, baladeurs CD et MP3… • Un transistor a de nos jours une taille de 130 nm. La course à l’infiniment petit continue et les problèmes sont presque toujours contournés. • Si on comptait le nombre de transistors par personnes, on en aurait environ 500 millions aujourd’hui, alors qu’en 1995, on pouvait en avoir seulement 100 millions. Selon certaines estimations on en transportera plus d’un milliard d’ici 2008 ! • Le coût du transistor diminue de 42% par an : le nombre de transistors par puce électronique a donc été multiplié par deux tous les deux ans (c'est la loi de Moore ) . Cela commence à changer : en effet, même avec la progression de la nanotechnologie, les composants qui utilisent du silicium sont limités en taille à un peu moins de 50 nm. D’autres recherches consistent donc à trouver des transistors qui utilisent une voie différente de l’électronique. • Demain, c’est à dire dans une dizaine d’année, on pourra stocker sur une puce de silicium de 2/2 cm, l’équivalent des informations qui sont dans la bibliothèque nationale François Mitterrand.
Un nano-transistor peut s'enclencher avec un seul électron, et convient aux ordinateurs moléculaires. En effet un simple électron permet de faire la différence entre "marche", et "arrêt. • Bien que les chercheurs fabriquent des micro puces de plus en plus petites, l'idée de créer un "transistor à électron unique" (ou SET) semble intéressante. Ils occuperont moins de place que les transistors en silicium dans tous les appareils électroniques. • Le principal avantage du SET est l’utilisation d’un unique électron, au contraire des transistors conventionnels qui ont besoin de millions d’électrons pour la même fonction. • Un autre avantage est la production bien moindre de chaleur, principal défaut des puces électroniques actuelles : une trop forte température entraînerait une fusion des matériaux utilisés. • Le fonctionnement d’un SET peut être comparé à un pont à sens unique laissant passer un électron à la fois, selon la tension appliquée. Avant cette découverte, les SET fonctionnaient seulement à basse température, car la chaleur favorise le passage des électrons. Or, si on utilise un appareil assez petit, les fluctuations importent peu.
Image virtuelle d'un SET (en bleu : atome de cobalt, en noir : atomes de carbone du nanotube de carbone, en rouge : atome de soufre servant à relier or et carbone, en doré : atomes d'or des deux électrodes).
Les limites de la miniaturisation • Au niveau des SET les chercheurs ont encore des difficultés pour créer des versions moléculaires de puces en silicium, le défi principal étant la réduction des coûts de fabrication des appareils afin d’améliorer leur rentabilité. • D'autres chercheurs ont l'imagination de créer des transistors "vivants", utilisant des enzymes spécifiques pour modifier une séquence génétique correspondante par exemple à 0 en une séquence génétique différente représentant 1. Ils pourraient agir en même temps sur un grand nombre de molécules. Bien que cette idée utilisant l'ADN soit intéressant, sa lenteur est très contraignante comparée à un transistor classique. source:Science et vie)
Les bio-puces • L’ADN (acide désoxyribonucléique) est en lui-même un précieux objet d’étude. Premièrement, de par sa complexité, puis naturellement de ses régions inexplorées. Tout part de la conception des brins de la double hélice d'ADN qui a la particularité de reformer spontanément la double hélice face au brin complémentaire. Les quatre molécules de base de l'ADN ont en effet la particularité de s'unir deux à deux, l'adénine avec la thymine, la cytosine avec la guanine. • On pourrait dès lors, s’inspirer de ces principes, les exploiter de manière artificielle, pour palier, par exemple, les problèmes liés à certaines mutations génétiques. • Nous étudierons l’intérêt et la méthode de fabrication de bio-puces, puis quelques-unes de leurs applications possibles.
Les bio-puces • La bio-puce • Ses applications
La bio-puce Son intérêt actuel • Pour améliorer la compréhension de l’ADN, les biologistes s’associent aux électroniciens pour exploiter les puces de silicium. Actuellement une société nommée « Agilent » a réussi à concilier la biologie à l’électronique. Leur produit, affimetrix est en fait un laboratoire sur puce. • Désormais un séquençage par hybridation s’effectue rigoureusement. En effet le séquençage par bio puce est plus précis que le séquençage habituel (enzymatique). Aussi réduit-elle le coût et la durée d’exécution. Aujourd’hui, à l’aide de la bio puce, on est capable de mettre en évidence des gènes inconnus du tissu cérébral d’un enfant, associés à des pathologies intestinales ou autres… • En d’autres termes, elles permettent de mesurer et de visualiser très rapidement les différences d'expression entre les gènes et ceci à l'échelle d'un génome complet.
L’élaboration de la bio-puce • La bio puce est d’abord constituée d’un support : lame microscopique sur laquelle on a déposé de la polylysine qui assure la fixation de l’ADN du patient. La préparation de la lame est achevée en bloquant la polylysine n'ayant pas encore accroché d'ADN de façon à éviter que la cible ne puisse s'y fixer. • Juste avant l’hybridation on doit changer la forme de l’ADN pour qu’il soit sous la forme d’un brin simple sur la puce, afin qu’il puisse s’assembler avec le brin complémentaire de l’ADN synthétique ou sonde.
exemple • Pour mieux comprendre son fonctionnement on étudiera les gènes d’une levure de boulanger par exemple. Le séquençage s’effectue en plusieurs étapes : • La préparation de la cible s’effectuera, pour l’exemple choisi de la façon suivante : • Sur deux cultures de cette levure on prélève les ARN. Les ARN messagers sont ensuite transformés en ADN par transcription inverse. Pour différencier les gènes des différentes cultures on marque l’ADN de la première culture par un fluorochrome bleu, tandis que celui de la seconde culture est lui marqué en vert. • L’hybridation : • Les différents ADN marqués sont assemblés puis déposés sur l’ADN synthétique ou sonde. La puce est alors incubée une nuit à 60 degrés. A cette température, un brin d’ADN qui rencontre son complémentaire s’apparie pour donner un ADN avec deux brins. Ainsi les ADN fluorescents vont hybrider avec les fragments de gènes déposés.
La lecture et analyse : • Chaque emplacement est d'abord lu puis analysé. Un laser est alors utilisé. En effet chaque spot excité par celui-ci émet une fluorescence. Cette fluorescence est ensuite analysée par plusieurs machines. • On obtient alors deux images (pour chacune des deux cultures) dont le niveau de gris représente l'intensité de la fluorescence lue. Si on remplace les niveaux de gris par des niveaux de vert pour la première image et des niveaux de rouge pour la seconde. • Ces images, une fois comparées, sont analysées par différents procédés qui permettront de comparer les échelles de teintes à un quotient appelé ''ratio de fluorescence pour chaque couleur (ici vert et rouge) déterminé par divers paramètres (quantité de levure de départ dans chaque condition, puissance d'émission de chaque florochrome, ...). • On suppose alors que la quantité d'ADN fluorescent fixée est proportionnelle à la quantité d'ARNm correspondant dans la cellule de départ et on calcule le ratio fluorescence rouge / fluorescence verte. Si ce ratio excède 1 (rouge sur l'une des deux images), le gène est plus exprimé dans la seconde culture, si ce ratio est inférieur à 1 (vert sur l'image en fausses couleurs), le gène est moins exprimé dans la seconde culture.
Ses applications Généralités
Les bio-puces devraient contribuer à l'identification de cibles thérapeutiques pour la recherche pharmaceutique et à déterminer la résistance aux antibiotiques de certaines souches microbiennes pour permettre de mieux lutter contre celles-ci. • La pharmacogénomique consiste à identifier les gènes impliqués dans l'efficacité (ou l'inefficacité) d'un produit, ou ses effets indésirables. • Meilleure compréhension des mécanismes d'action des médicaments. • ouvre le champ des potentiels thérapeutiques en montrant qu'une molécule a sur une cible une action véritable . • permet d'identifier les effets secondaires d'un produit et, lors des essais cliniques, de faire des mesures de toxicité. • L'agro-alimentaire: • le suivi des bactéries productrices de ferments lactiques. • détection des séquences provenant d'organismes génétiquement modifiés dans les semences
L'environnement : • analyse bactérienne de l'eau de consommation. • La détection des agents infectieux dans l'alimentation, l'air ou l'eau (Salmonella, Listeria, Legionnella). • Exemple : Le contrôle de la qualité de l'eau passe aujourd'hui par l'analyse de 64 paramètres de qualité dont certains doivent être surveillés en permanence. Les puces à ADN permettent de détecter la présence, même en très faible quantité d'un micro-organisme en le reconnaissant à travers son empreinte génétique. L'utilisation de puces à ADN permet un diagnostic et donc une intervention plus rapide et moins coûteuse. • La guerre bactériologique ou chimique • Identifier rapidement les produits chimiques (mercure, Dioxine...) ou bactériologiques (bacille du charbon ou de la diphtérie...) disséminés par un éventuel agresseur.
problèmes • La nanotechnologie en médecine où dans quelque autre domaine que ce soit, est grandement marqué par la difficulté que les scientifiques ont à mettre en mouvement une matière aussi difficile à manipuler. C’est pourquoi, ils tentent de développer les propriétés d’auto organisation propres à l’ADN.
I V) La manipulation des atomes • La nanotechnologie est donc la science de travailler dans l’infiniment petit. De la taille d’une molécule d’ADN ( 100 nm ) à celle de l’atome (0,1 nm ). Pour cela, il a fallu développer des techniques permettant des manipulations à échelle atomique. Parmis ces moyens existent le microscope à effet tunnel, et le phénomène d’auto-organisation des atomes • Nous étudierons dans cette partie comment on a pu former des images de matières à échelle atomique, puis comment, à l’aide d’un système similaire, on a pu déplacer les atomes un par un, symbole d’une grande avancée dans les nanosciences.
I V) La manipulation des atomes • Le microscope à effet tunnel : Principe de fonctionnement • Illustration • Le microscope à effet tunnel : Application • Illustration
Le microscope à effet tunnel Principes de fonctionnement • Le microscope à effet tunnel diffère des autres microscopes dans la mesure ou il ne nous permet pas de voir la matière en l’agrandissant par des procédés optiques, mais en balayant la surface métallique à étudier avec sa pointe. L’extrémité de cette pointe n’est constituée que d’un seul atome. • Son principe de fonctionnement repose sur l’effet tunnel, c’est-à-dire, la faculté qu’a un objet quantique de franchir une barrière potentielle. • Le microscope à effet tunnel mesure le courant électrique qui circule entre sa fine pinte métallique chargée positivement et la surface. En effet, quand la pointe du microscope entre dans le nuage électronique du métal, des électrons s’échappent de ce métal par effet tunnel, et sont attirés par la charge positive du microscope. • Dès lors, un courant s’installe. L’intensité du courant est d’autant plus élevé que la pointe du microscope a pénétré dans le nuage électronique de l’atome. Dès lors, une boucle de rétroaction modifie la position verticale de la pointe du microscope de façon à garder ce courant constant. • L’association du balayage et des mouvements verticaux, traitée par ordinateur, recrée une image de la surface. Illustration
Applications • Cependant, les toutes premières images tirées de ce procédé étaient remplies de défauts : des lignes traversaient l’image. Mais on s’est ensuite rendu compte que la pointe du microscope entraînait certains atomes. • C’est pourquoi, on s’est demandé s’il était possible de déplacer les atomes d’une surface, grâce à cette interaction. • Les atomes s’attirent à cause d’un type de force qui met en scène les électrons. Même s’ils sont très rapide et délocalisés, les électrons sont, à un instant donné, plutôt d’un côté de l’atome que de l’autre. Cette dissymétrie transitoire a pour effet de faire apparaître des pseudo charges : les électrons d’un atome attirent le noyau d’un autre, et vice-versa. • Quant à la partie répulsive de l’interaction des atomes, elle provient de la répulsion des électrons des couches externes de chaques atomes qui étant de même charge, ne peuvent pas s'imbriquer. • Les interactions entre deux atomes quels qu’ils soient sont donc attractives à longue distance, et répulsive à courte distance. Ce phénomène a été maîtrisé et l’on en tire parti pour manipuler les atomes avec précision, à l’aide du microscope à effet tunnel.
Quant aux molécules, il est possible de les déplacer à aide du microscope à effet tunnel, en exploitant Le fait que leur dissymétrie ne répartie pas sa charge électrique de façon homogène. Prenons par exemple la molécule d’eau ( H2O ), composée de deux molécules d’hydrogène, et d’une molécule d’oxygène. L’atome d’oxygène tire le plus fort sur les électrons constituants les liaisons entre lui et les hydrogène, ce qui a pour conséquence de rendre la molécule d’eau polaire. ( On distingue un côté de charge positive, et un autre de charge négative. • Selon les arrangements qu’ils font avec ses atomes, et molécules, les chercheurs donnent aux différents matériaux des propriétés particulières. Illustration
Lexique • Auto organisation : L’auto organisation des atomes est un phénomène naturel ou provoqué qui permet de manipuler un grand nombre d’atomes à la fois, par leur tendance à s’organiser eux-mêmes; dans certaines conditions. Les molécules peuvent donc se placer seules, à l’endroit ou l’on veut. • Bottom-Up : Pour la nano-construction, le bottom-up signifie la création d’objets nanotechnologiques en partant de bas en haut, soit, des atomes à l’objets ( on peut manipuler les atomes un par un pour construire l’objet désiré, comme l’on construit une maison à l’aide de briques • Effet tunnel: L’effet tunnel est un phénomène quantique qui désigne la propriété qu’a un objet quantique de traverser une barrière potentielle, franchissement impossible selon la mécanique classique. • Encyclopaedia Britannica : C’ est la plus ancienne et la plus prestigieuse encyclopédie en anglais. Elle contient environ 120 000 articles, soit 44 millions de mots. • Nanotube de carbone : Découvert en 1991, le nanotube est une fibre qui peut laisser passer le courant ou non selon sa géométrie, et dont la solidité en fait un matériel remarquable dans les sciences. Un nanotube de carbone est 6 fois plus léger que l’acier et 100 fois plus résistant. Il peut être utilisé avec les nanotransistors, grâce à ses propriétés électriques. • Pharmacogénomique : La pharmacogénomique consiste à identifier les gènes impliqués dans l'efficacité (ou l'inefficacité) d'un produit, ou ses effets indésirables. • Quantique : La mécanique quantique au sens strict décrit le comportement des particules ( électrons, protons, neutrons ou même d’atomes et de molécules) dans un cadre non relativiste. Un électron, par exemple, est susceptible, en physique quantique, de traverser une barrière d’énergie. • Supraconducteur : Un objet supraconducteur permet, à très basse température, de faire circuler l’énergie électrique sans aucune perte d’électricité due à l’effet joule.
Semi-conducteur : Les semi-conducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants. Ils sont donc primordiaux en électronique car on parvient à contrôler la quantité de courant électrique susceptible de les traverser, et la direction que peut y prendre le courant. Ils peuvent servir d’amplificateurs ou d’interrupteurs. • Top-Down : Pour la nano-construction, le système top-down est un mécanisme de miniaturisation. On part du plus haut pour aller vers le plus petit. C’est l’évolution de la technologie jusqu’à ce jour. • Transistor : Semi-conducteur qui permet, utilisés par millions, exécution de fonctions logique ou l’enregistrement d’information. En état bloqué, il empêche le courant de passer. Quand on lui applique une tension, il laisse passer le courant. • Transistor à un électron : Il a le même principe que le transistor normal, mais un seul électron est nécessaire pour faire la différence entre son état bloqué, et son état conducteur. • Triode : Inventée par l’ingénieur Lee De Forest en 1905, la lampe triode a constitué historiquement le premier amplificateur d’un signal électrique.
La nanotechnologie Conclusion • La nanotechnologie est donc un secteur intéressant dans la mesure où elle offre une perspective non négligeable dans l’avancée des méthodes scientifiques. De plus, elle nous permettra de mieux vivre, car ses applications sont ( seront ? ) illimitées, et utiles dans la vie de tous les jours. Peut-être qu’un nouveau chapitre de l’histoire de la physique est en train de s’ouvrir ? • Si la nanotechnologie n’est pas encore exploitable dans l’immédiat, ou du moins a grande échelle, le budget alloué à ce secteur de recherche atteint les 70 millions d’euros par an. • Alors pour quand les nanotechnologies dans la vie quotidienne ? Bibliographie Q
Bibliographie • Sites Internet • http://perso.wanadoo.fr/nanotechnologie/Chapitres/Applications/bio-puces/biopuces.htm • http://www.savoirs.essonne.fr • http://fr.wikipedia.org • http://agora.qc.ca/ • http://villemin.gerard.free.fr/ • http://www.dictionnaire-biologie.com/biologie/definition_14.html • http://www.cybersciences.com/ • http://perso.wanadoo.fr/nanotechnologie • http://www.ledevoir.com/2003/04/12/25240.html • http://education.france5.fr/nanomonde/ • http://www.ulb.ac.be/inforsciences/actusciences/dossiers/nanotech/met.html • http://www.transcriptome.ens.fr/ • Livres • Demain le nanomonde : voyage au coeur du minuscule (Jean-Louis Pautrat) • Périodiques • Pour la science n (spécial nanotechnologie) • Pour la science 290 • Science et vie 321, 1021, 1035 • Okapi 756 • Science et Vie Junior 115,148 • CD-roms • Nanotechnology
Des chercheurs d’IBM déplacèrent un par un des atomes de xénon, pour former le sigle d’IBM
