Demain, les nanotechnologies feront sûrement partie de notre quotidien : de la médecine (analyses médicales, traitements plus ciblés, prothèses) à l'environnement (épuration de l'eau, pots catalytiques, capteurs), via l'optique (éclairage, imagerie), de nombreux domaines sont déjà concernés. L'électronique y voit même les bases de son renouveau. Tour d'horizon des développements en cours.

Santé

« La manière de donner est aussi importante que ce que l'on a à donner », annonce d'emblée Patrick Couvreur, directeur du laboratoire « Physico-chimie, pharmacotechnie, biopharmacie » ¹. Spécialisé dans la vectorisation des médicaments, c'est-à-dire dans la manière de les administrer, ce laboratoire conçoit des nanocapsules et des nanosphères pour amener la molécule active au plus près de sa cible. « Nous essayons de mettre au point des nanosystèmes plus efficaces que la prise de médicaments par voie orale, poursuit le chercheur. Dans ce cas, les principes actifs doivent, pour être absorbés, franchir la barrière de l'épithélium intestinal. Le médicament perd alors de son efficacité, et une déperdition de son principe actif en cours de route peut entraîner des effets secondaires en affectant d'autres tissus. » On pense par exemple aux médicaments anticancéreux ou aux trithérapies contre le sida. L'idéal serait donc de pouvoir amener la molécule active au cœur de son site d'action. « D'autant que le développement des biotechnologies a permis de mettre au point de nouvelles molécules plus efficaces, mais plus fragiles et donc beaucoup plus difficiles à administrer », poursuit le chercheur. Son laboratoire développe depuis plusieurs années différents vecteurs ², tous de taille nanométrique (70 fois plus petits qu'un globule rouge), pouvant être administrés par voie vasculaire en évitant ainsi tout phénomène thromboembolique. Les vecteurs utilisés sont de nature très variable : liposomes, (voir glossaire en bas de page) nanoparticules de polymères biodégradables, en forme de capsules avec réservoir ou de sphère matricielle type « pelote de laine », ou nanosystèmes associatifs ³. Ils possèdent la capacité d'encapsuler et de protéger de nombreuses petites molécules de synthèse ou des macromolécules (protéines, acides nucléiques). Tout ce joli monde, administré par voie intraveineuse, passera par le foie. Les maladies hépatiques mortelles, comme les cancers du foie, sont donc les premières concernées par les nanomédicaments. Grâce à la présence de protéines plasmatiques à leur surface, ils seront spécifiquement ­reconnus par les macrophages du foie et de la rate. Autre développement : des nanoparticules dites de deuxième génération, iront directement dans le cerveau ou l'œil guérir certaines maladies auto-immunes cérébrales ou oculaires. « Elles pourront se promener dans la complexité de l'être humain et cibler des territoires cellulaires très précis, explique Patrick Couvreur. Pour cela, il faudra modifier la surface des nanoparticules pour qu'elles ne soient reconnues que par les cellules visées. » Enfin, des vecteurs de troisième génération sont prévus pour aller droit au cœur de la cellule. Muni de ligands (voir glossaire en bas de page), le médicament pourra se fixer sur la cellule ciblée. La finesse de la vectorisation sera alors ultime.

 

Environnement

Non contentes de prendre soin de nous, les nanotechnologies se penchent aussi sur la santé de l'environnement, notamment par le biais de la dépollution. L'idée de Jérôme Rose et de Jean-Yves Bottero, tous deux chercheurs CNRS au Cerege ⁴, est belle : concevoir des membranes de filtration à base de nanoparticules pour déconta­miner l'eau. La nouveauté : elles sont fabriquées avec des matériaux courants et peu chers, et par des procédés de synthèse qui évitent les solvants organiques et les polymères. Peut-être une aubaine pour certains pays du Sud où l'eau est souvent impropre à la consommation.

La technique a en plus le mérite d'être assez simple. Il s'agit, à partir d'un oxy-hydroxide d'aluminium ou d'un oxyde de fer, d'obtenir des matériaux de taille nanométrique qui permettent de fabriquer une membrane de filtration. « L'avantage est que la porosité de ces matériaux membranaires peut être contrôlée par la taille des nanoparticules, entre quelques dizaines de nanomètres et 500 nanomètres, explique Jean-Yves Bottero. On les adapte ensuite sur des substrats, et on fait en sorte de les rendre réactives pour qu'elles oxydent des molécules organiques, comme des bactéries, des virus et des pesticides. »

Autre application : les piles à combustible (voir glossaire en bas de page). « On s'est aperçu que nos membranes laissaient passer les protons présents dans l'eau », précise le chercheur. En les récupérant de l'autre côté, il serait facile de fabriquer de petites piles à combustible. Et si un développement industriel suivait, elles pourraient à l'avenir fournir l'électricité d'une maison individuelle. En attendant, l'objectif de Jean-Yves Bottero est de travailler avec des entreprises pour fabriquer des membranes d'au moins 1 m² afin de les tester hors du labo.

Autre application phare pour l'environnement : la catalyse. Avec une question qui taraude nos chercheurs : peut-on rendre les catalyseurs plus performants, notamment ceux utilisés dans l'industrie automobile ? Apparemment oui, si l'on en juge d'après les résultats de recherche de l'équipe de Claude Henry, physico-chimiste au Centre de recherche en matière condensée et nanosciences (CRMCN) du CNRS à Marseille. Rappelons que la catalyse est un phénomène chimique qui consiste, dans un pot d'échappement, à transformer des molécules indésirables comme l'oxyde de carbone (CO), les oxydes d'azote (NO_x) et les hydrocarbures non brûlés en d'autres plus recommandables, comme le diazote (N₂), le dioxyde de carbone (CO₂) et la vapeur d'eau. « Pour cela, il faut attirer ces molécules sur une surface réactive qui les transforme en créant de nouvelles liaisons moléculaires, explique le directeur de recherche. Par exemple, le CO y pioche un atome d'oxygène provenant de la cassure d'une molécule d'oxygène de l'air pour devenir du CO₂.» Ce sont des métaux nobles et rares, comme le platine et le palladium, qui font aujourd'hui office de catalyseurs. Mais les réserves s'épuisent, et les prix flambent… De plus, l'efficacité des pots actuels est loin d'être optimale, en particulier pour les moteurs diesels. « Les industriels savent bien préparer des particules de platine ou de palladium de taille nanométrique pour augmenter la réactivité du catalyseur, poursuit le chercheur. Mais la taille nanométrique ne suffit pas à le rendre très efficace. C'est pourquoi nous essayons de proposer d'autres solutions. »

Ainsi, au CRMCN, la taille et la morphologie des nanoparticules utilisées, leur densité et leur répartition spatiale sur le substrat, la nature des métaux et la composition chimique des alliages, l'homogénéité du support ainsi que ses interactions avec les catalyseurs sont passées au crible analytique de leurs outils. L'objectif étant de trouver le bon compromis entre les différents paramètres pour proposer le meilleur catalyseur. « Nous avons montré que les particules de palladium d'environ 7 nm sont les plus actives pour éliminer les oxydes d'azote, annonce Claude Henry. De même nous savons désormais qu'un arrangement de type hexagonal des atomes à la surface de l'agrégat est plus efficace. » Enfin, ses recherches ont révélé que les arêtes des agrégats étaient moins efficaces que les surfaces planes, car à cet endroit, l'activité catalytique est trop importante. Les molécules indésirables restent alors trop fortement attachées à la surface. Conséquence, la réaction catalytique est bloquée. Autre problème à résoudre : trouver un remplaçant aux métaux devenus trop rares. « L'or est un bon candidat, puisqu'il présente de très bonnes propriétés catalytiques en dessous de 5 nm dès la température ambiante (contrairement aux métaux actuellement utilisés) et qu'il est assez courant », avance Claude Henry. L'inconvénient est qu'il est mou et peu résistant. « Nous pensons donc l'associer à un autre métal et créer un alliage pour le rendre plus résistant », propose-t-il. À suivre…

 

Électronique

Il faut s'y préparer : la déferlante « nano » pourrait remodeler totalement le visage de l'électroni­que. « C'est en effet l'occasion de réfléchir à de nouvelles architectures pour nos circuits, affirme Jean-Michel Lourtioz, directeur de l'Institut d'électronique fondamentale (IEF) ⁵ d'Orsay. Un défi serait de tenter de reproduire en 3D des circuits sur le modèle du cerveau, où chaque neurone est connecté à plusieurs milliers de voisins. » Avec un gain de rapidité, et surtout de nouvelles fonctions. « On peut aussi imaginer des circuits capables de s'agencer, de se connecter et de s'autoconfigurer pour s'adapter à la tâche », surenchérit Daniel Bouchier, directeur de recherche CNRS à l'IEF. Et de nombreux candidats étudiés dans nos laboratoires postulent au titre de « meilleur espoir nano ». Premier concerné : le transistor MOS, sorte de canal barré par une grille, utilisée pour moduler le courant électrique qui le parcourt. Ce composant emblématique de l'électronique moderne est la brique élémentaire des fonctions numériques de traitement (processeurs) et de stockage de l'information (mémoires RAM), par exemple. Pour le miniaturiser, nos chercheurs ne sont pas à court d'idées. Dans l'une d'elles, la mémoire « ultime » serait constituée d'un nanocristal (voir glossaire en bas de page)où le bit d'information, c'est-à-dire le 0 ou le 1 à sauvegarder, serait réduit à un seul électron qui commanderait la grille du transistor. L'enjeu, lui, est tout sauf minime : il s'agit d'abaisser encore la limite technologique – estimée à 22 nm – de la longueur de grille d'un transistor. De nombreuses voies sont explorées pour aboutir à cet objectif, notamment dans le cadre du projet européen NanoCMOS ⁶.

 

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© Antoine Dagan. Cliquez sur l'image pour l'agrandir.

Du nanomonde au monde visible.

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Autres favoris des castings menés dans les labos : les nanofils et nanotubes. « Avec eux, nous pouvons espérer refaire toute l'électronique des semi-conducteurs », lance Didier Stievenard, directeur adjoint de l'IEMN ⁷ de Lille, qui fabrique et caractérise certains types de nanofils. Ceux-ci pourraient en effet constituer le canal indispensable aux successeurs des diodes et transistors. Mais le visiteur peut également observer ici une des plus belles illustrations de l'approche montante : l'électronique moléculaire, qui pourrait elle aussi déboucher sur la création de fils, diodes et mémoires. Au départ : une molécule choisie pour ses propriétés électroniques particulières. « Ensuite, nous exploitons ses propriétés d'auto-organisation et d'auto-assemblage pour fabriquer des systèmes électroniques, détaille Dominique Vuillaume, directeur de recherche CNRS à l'IEMN. Au final, ces composants du futur sont constitués d'une ou de quelques molécules capables de traiter une information, greffées sur un substrat en silicium. » Prenons l'exemple d'une mémoire : pour emmagasiner une information codée sous forme de bits, on peut stocker un électron dans telle ou telle molécule ou bien obliger celle-ci à changer de conformation. Avec ce dernier procédé, le 0 et le 1 sont remplacés par deux formes distinctes de la molécule utilisée : « Le passage d'un état à l'autre se fait en éclairant la molécule, annonce le chercheur. En outre, ce processus est réversible presque à l'infini. » Autre possibilité, l'utilisation de molécules capables de stocker chacune plusieurs électrons, ce qui reviendrait à coder plusieurs bits en même temps. Ce procédé pourrait donner naissance à une logique qui nous ferait sortir de l'actuel système binaire. « Mais prudence. Dans ce domaine, tout reste à démontrer », prévient Dominique Vuillaume. Alors, l'électronique moléculaire, capable d'engendrer des procédés de fabrication à faible coût et un gain important en densité d'intégration (surface divisée par dix pour la même capacité de stockage), est-elle la technologie de demain ? « D'une manière générale, en électronique, l'avenir appartient aux systèmes hybrides, issus de technologies différentes », répond notre chercheur.

Ce mélange des genres pourrait s'avérer précieux pour contourner certains obstacles. Comme celui-ci, illustré par le cas d'un point mémoire, à savoir l'élément de stockage correspondant à une information binaire : « Les charges stockées finissent toujours par disparaître : c'est pour cela qu'un petit courant électrique vient régulièrement rafraîchir la mémoire, explique Daniel Bouchier. Or des systèmes plus petits mais aussi plus denses vont nécessiter davantage d'énergie. » Nos chercheurs ont une solution : ne plus utiliser pour stocker l'information la seule charge des électrons mais aussi leur spin, objet d'une discipline initiée notamment par les travaux d'Albert Fert, Médaille d'or du CNRS en 2003 ⁸ : l'électronique de spin. En effet, l'orientation de l'aimantation d'un nano-élément magnétique peut se conserver beaucoup plus longtemps que la charge dans la nanocapacité d'une mémoire classique. La preuve : on s'en sert déjà pour stocker l'information dans nos disques durs ! Au final, plus besoin de rafraîchir aussi souvent le composant à l'aide de courant. En outre, cette approche pourrait donner naissance à des MRAM ultrarapides, ces mémoires magnétiques déjà commercialisées pour les applications spatiales et promises à une belle carrière dans l'informatique. Ce lien entre enregistrement magnétique et électronique s'est développé à partir de 1988 avec l'apparition des vannes de spin (voir glossaire en bas de page). « Grâce à leur utilisation pour les têtes de lecture de disques durs, leur densité d'enregistrement est passée de 0,15 à 80 Gbit/cm² en quelques années », confirme Claude Chappert, directeur de recherche à l'IEF ⁹. En outre, les informations stockées ne sont ni volatiles ni sensibles aux irradiations, ce qui a son importance pour les applications aéronautiques et spatiales. Pour aller plus loin, il faudra surmonter d'autres obstacles. Un exemple ? Quand on vise une cellule pour y stocker une information, ses voisines peuvent ressentir un champ magnétique parasite important. Mais des solutions existent, comme celle trouvée en 2004 par une équipe de Spintec ¹⁰, à Grenoble, qui consiste à impulser un courant dans la cellule visée pour la chauffer et minimiser ainsi son champ d'écriture. En parallèle, l'électronique de spin (voir glossaire en bas de page)vit actuellement un véritable tournant qui pourrait permettre, par ­exemple, d'écrire des informations magnétiques sans champ magnétique extérieur, un procédé miracle appelé « transfert de moment de spin ». Ici, ce sont les spins des électrons d'un courant ­traversant le nanodispositif qui vont interagir directement avec les spins responsables de ­l'aimantation dans les couches magnétiques et permettre ainsi d'orienter cette aimantation… un peu à l'image de dominos qui s'entraînent dans leur chute.

 

Optique

Autre chantier lumineux, l'utilisation des photons pour transmettre les informations dans les circuits de demain. En effet, des connexions optiques pourraient remplacer les connexions électriques, « car on pourrait ainsi éviter les fortes dissipations d'énergie lorsque des composants éloignés les uns des autres doivent être reliés entre eux sur un même circuit », explique Jean-Michel Lourtioz. Qui enchaîne : « Un signal optique doit aussi pouvoir se diviser de multiples fois sur son parcours, et ce, sans que l'on perde trop d'énergie à chaque division. » En 2003, les chercheurs de l'IEF et du CEA-Leti de Grenoble étaient parmi les premiers à diviser un signal en 16 signaux équivalents sur un même circuit. Deux ans après, ils sont toujours dans le peloton de tête, avec la perspective de diviser le signal… plusieurs milliers de fois grâce à des systèmes complexes de miroirs proches du nanomètre !

À présent, coup de projecteur sur les cristaux photoniques. Leur surnom ? Les « cages » à lumière. Leur mission ? « Prendre le contrôle de la lumière, en lui interdisant certains chemins pour privilégier une direction choisie », répond Henri Benisty, chercheur au Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'optique (LCFIO) ¹¹. En effet, à l'instar des systèmes conçus pour réduire les nuisances sonores, ces structures bloquent le passage à certaines longueurs d'onde de la lumière, grâce à des motifs en volume nanométriques et répétés de manière périodique. Et l'intérêt est grand : « Aujourd'hui, les ampoules ne restituent en lumière directe que 3 à 4 % de l'éclairage total, le reste se dispersant soit dans toutes les directions, soit surtout en chaleur », explique en préambule Claude Weisbuch, directeur de recherche CNRS au Laboratoire de physique de la matière condensée de Palaiseau ¹². Grâce à des microcavités à base de structures périodiques, nos chercheurs ont établi le record du monde de la spécialité : ils ont restitué 28 % d'une source lumineuse en lumière directe ! Ce chiffre éblouissant pourrait même atteindre les 70 % d'ici dix à vingt ans, quand les LED (diodes électroluminescentes) commenceront à remplacer les ampoules classiques. À la clef, d'énormes économies d'énergie, car 15 a 20 % de l'électricité sert aujourd'hui à l'éclairage. En attendant, nos chercheurs continuent de tester différents dispositifs de guides de lumière, dont certains font l'objet de brevets CNRS. Le but ultime ? « Faire une cage à lumière la plus petite possible », résume Henri Benisty. D'autres usages concernent l'imagerie : les nanosources de lumière autorisent notamment des expériences à l'échelle d'une seule molécule dans les milieux vivants ¹³ !

 

Fabrice Impériali et Matthieu Ravaud

 

Glossaire

 

Liposomes : Vésicules biocompatibles artificielles dont la membrane est constituée d'une ou plusieurs couches de lipides.

 

Ligands : Petites molécules se fixant à une protéine d'un récepteur, par exemple, par des liaisons spécifiques.

 

Piles à combustible : Générateurs de courant qui transforment l'énergie d'une réaction chimique en courant électrique de façon continue.

 

Nanocristal : Un cristal est un solide constitué d'atomes, d'ions ou de molécules. Sa structure est périodique et régulière.

 

Spin : Moment magnétique d'une particule.

 

Vannes de spin : Dispositifs constitués de deux couches ferromagnétiques séparées par une troisième couche. Si les deux premières sont aimantées dans le même sens (spins orientés dans la même direction), le courant passe plus facilement. Ce qui permet de coder une information binaire.

 

 

LES LABOS SUR PUCE S'INSPIRENT DU LOTUS

 

La finesse est aussi de mise dans le domaine de l'analyse médicale.

À l'affiche : les déjà fameux « labs on chip » ou laboratoires sur puce, qui miniaturisent à l'extrême les circuits d'analyse biologique. « C'est tout un laboratoire qui est réduit à une plaquette, précise Christophe Ybert, jeune chercheur au Laboratoire de physique de la matière condensée et des nanostructures (LPMCN) à Lyon ¹. Il suffit d'y déposer une goutte de salive ou une goutte de sang, et l'analyse se fait immédiatement. » Pour améliorer les écoulements des fluides à l'échelle micrométrique, les scientifiques ont décidé de s'inspirer de la nature. Explications : sur une feuille de lotus, une goutte d'eau ne s'étale pas. Elle glisse et entraîne avec elle toutes les saletés. La raison de ce phénomène ? « La surface hydrophobe de la feuille est naturellement nanostructurée, c'est-à-dire qu'elle est tapissée de minuscules aspérités micro- et nanométriques », explique Cécile Cottin-Bizonne, chercheuse dans la même équipe. C'est sur les sommets de ces picots que les gouttes surfent à la surface de la feuille. Du lotus à la nanorhéologie des fluides, il n'y avait qu'un pas, que l'équipe s'est empressée de franchir. Son objectif est d'appliquer ce phénomène de glissement à l'amélioration des écoulements dans des microtuyaux. « En effet, plus un tuyau est petit, plus l'écoulement est difficile à générer », précise la jeune chercheuse. Pourquoi ? « En raison du non-glissement des fluides sur les parois, poursuit-elle.

Et cette friction aux parois, très dommageable pour la microfluidique, oblige à exercer de très fortes pressions pour forcer les fluides à s'écouler. » C'est pourquoi elle étudie avec son collègue Christophe Ybert les propriétés des écoulements et le comportement d'un liquide extrêmement confiné ². « Nous vérifions ainsi si la règle du non-glissement peut être mise en défaut à toute petite échelle », explique ce dernier. Et leurs études ont montré que la nanostructuration des surfaces pouvait à micro-échelle améliorer les écoulements. D'où l'idée des chercheurs de s'inspirer de la structure de la feuille de lotus et de réaliser des tuyaux avec des parois nanostructurées à l'aide de nanotubes. « Et dans ce cas, on obtient une forte réduction de la friction du liquide », annonce Christophe Ybert. Un avantage énorme qui permettrait d'étendre les techniques de « labs on chip », déjà utilisés par des diabétiques, à des analyses plus complexes pour d'autres maladies.

F. I.

1. Laboratoire CNRS / université Lyon-I.

2. Ils utilisent notamment une machine à force de surface capable de caractériser les propriétés d'écoulement d'un liquide confiné à des échelles nanométriques.

Contacts :

Christophe Ybert , christophe.ybert@lpmcn.univ-lyon1.fr

Cécile Cottin-Bizonne, cecile.cottin-bizonne@lpmcn.univ-lyon1.fr

 

 

 

L'IMAGERIE CHANGE D'ECHELLES

 

Les nanotechnologies devraient contribuer à éclairer nos lanternes sur le fonctionnement des cellules vivantes : « Par exemple, le fait de contrôler la fluorescence de certaines molécules accroît énormément leur utilité comme nanomarqueurs de molécules comme l'ADN », analyse Henri Benisty, du Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'optique (LCFIO). Explication : pour détecter une expression génomique même faible, on appose une molécule fluorescente à un brin d'ADN complémentaire à celui recherché. « Si les deux brins se rencontrent, nous pouvons observer un phénomène fluorescent allant jusqu'à un évènement moléculaire unique », poursuit le chercheur. Avec Claude Weisbuch, il a créé l'entreprise Genewave, soutenue par le CNRS et spécialisée dans les outils de détection de ces signaux optiques, mettant aujourd'hui sur le marché des systèmes de quantification dix fois plus sensibles que les procédés classiques. De même, à Bordeaux, des chercheurs du CPMOH ¹ ont développé une méthode pour détecter par voie optique des nanoparticules métalliques individuelles, utilisées comme marqueurs de molécules. Son secret ? « Plus les nanoparticules sont petites, moins elles diffusent la lumière ; par contre, elles l'absorbent fortement et deviennent de véritables petits foyers de chaleur. C'est cette élévation de chaleur très localisée que nous détectons », explique Laurent Cognet, chercheur CNRS de cette équipe. Qui a ainsi détecté des nanoparticules de 1,4 nm de diamètre contre 20 auparavant ! Et même dernièrement des « nanopépites d'or » dans des neurones vivants. Autre progrès lié à l'imagerie : en 2004, des chercheurs du CNRS ² ont réussi à produire des radiations terahertz (1012 Hz) grâce à des transistors dont la grille ne dépasse pas les 100 nm. Enfin un procédé efficace pour utiliser ces radiations situées dans l'infrarouge. Peu dangereuses pour les cellules, elles pourraient permettre d'éviter tous les effets secondaires dus à l'imagerie médicale classique par rayons X.

M. R.

1. Centre de physique moléculaire optique et hertzienne (CNRS / université Bordeaux-I).

2. Groupe d'étude des semi-conducteurs (GES) de Montpellier et IEMN de Lille.

Contacts :

Henri Benisty henri.benisty@iota.u-psud.fr

Laurent Cognet, lcognet@u-bordeaux1.fr

Wojciech Knap, knap@univ-montp2.fr

 

 

 

LES NANOTUBES BIENTÔT SUR GRAND ECRAN

 

Un écran vidéo de 12 m2, découpable et enroulable comme une feuille de papier : un scénario futuriste ? Non, un projet européen… en développement depuis déjà un an. Le consortium d'industriels et de laboratoires, dont le Laboratoire de physique de la matière condensée et nanostructures (LPMCN) ¹ de Lyon et l'Institut des matériaux de Nantes (IMN) ², devrait présenter d'ici à juillet 2007 son prototype, Nanopage. Mais le premier pixel de cet écran va voir le jour en cette fin d'année. « Chaque pixel fonctionnera tel un microtube cathodique indépendant, explique Vu Thien Binh, chercheur du LPMCN. Les nanotubes sont enfermés dans un tube de verre recouvert d'un micro-écran vert, rouge ou bleu, et l'intensité du courant qui les traverse sera modulée selon l'image. »

Aude Olivier

1. Laboratoire CNRS / université Lyon-I.

2. Laboratoire CNRS / université

de Nantes.

Contact : Vu Thien Binh, vuthien.binh@lpmcn.univ-lyon1.fr