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Les défis du monde nano : Le renouvellement des techniques

Quoi de neuf avec les nano-technologies ? Sans doute tout ! Elles déferlent et alimentent toutes les disciplines : physique, médecine, chimie ou écologie. Elles permettent de contrôler les processus de fabrication de nano structures, d'en mesurer les caractéristiques physiques, chimiques, biologiques,... et de les intégrer dans des structures plus larges. A la clé, d'innombrables applications et autant de défis à relever, aussi bien scientifiques que sociétaux. Les techniques se perfectionnent et promettent de bouleverser notre quotidien. 

Un véritable défi scientifique

A très petite échelle, des propriétés physiques apparaissent, d’autres disparaissent. Certaines sont améliorées ou perturbées : la légèreté, la résistance, la conductivité, la thermie, l’adhérence, le magnétisme ou même encore l’esthétisme… Impossible alors de s’appuyer sur les lois classiques de la physique pour observer, comprendre et fabriquer des nano objets. Le domaine du nanomètre est, en fait, régi par les règles de la mécanique quantique.

La miniaturisation des composants des puces est un enjeu scientifique majeur pour le traitement des données de ces recherches. Il promet des puissances largement amplifiées pour toute l’électronique, des vitesses de calcul aux capacités de mémorisation des disques durs. Un processeur Intel d’ordinateur, qui contenait 2300 transistors en 1971, en contient aujourd’hui 50 000 fois plus. Et bientôt, la mise au point d’un ordinateur quantique pourrait voir le jour grâce aux nano cristaux, nano fils, nanocomposites et électronique moléculaire à l’étude.

Pour cela, les chercheurs doivent surmonter la limite physique des circuits intégrés sur silicium (atteinte dès 2010 selon les prévisions de la loi de Moore) en créant de nouvelles architectures optiques, et non électriques. Mais les connaissances du domaine quantique "tournent en rond depuis les années 30", note Christian Joachim, du Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales (Cemes), un laboratoire toulousain du CNRS.
Derrière les nanotechnologies, les experts de différentes disciplines tentent de développer des systèmes non présents dans la nature : dispositifs expérimentaux, nanomachines et nanorobots tels que la première brouette moléculaire qui a vu le jour en France. Equipée de deux roues, de deux "bras" et de deux "pieds", elle accroche les atomes, et les dépose plus loin.

L'approche « bottom up », fondée sur des principes chimiques, permet de réaliser des objets artificiels (molécules de synthèse, agrégats) – qui n'existent pas à l'état naturel – en utilisant des atomes et des molécules. 
Synthétisée par l'équipe de Christian Joachim au CEMES de Toulouse, cette nanobrouette, avec ses deux roues, ses deux bras et ses deux pieds, est capable d'accrocher un atome sous elle et de le déposer plus loin. Ces nanomachines qui pour l'instant doivent être poussées avec une nanopointe pour avancer, annoncent peut-être les nanorobots de demain. 
© CEMES / CNRS

La construction "d’usines moléculaires" avec convoyeurs, bras articulés et tapis roulants est aussi en projet. L’objectif ? Fabriquer des machines avec le moins d’atomes possible. Mais attention, la moindre vibration ou poussière empêche toute manipulation. Sans évoquer les difficultés d’alimentation en énergie et de stockage des données à si petite échelle…

S’il est un secteur pluridisciplinaire, c’est bien celui des nanotechnologies ! A partir de nano objets, les physiciens font évoluer la nanoélectronique, l’électromagnétisme et l’optique. Ils fournissent aux nanosciences, avec l’aide d’ingénieurs, des super calculateurs pour traiter davantage d’informations, ou des machines-outils (tels que des enclos quantiques pour visualiser le caractère ondulatoire des particules…) 
Les biologistes, eux, scrutent les mécanismes et les interactions au niveau moléculaire pour développer de nouveaux modèles et initier des diagnostics plus précis, voire des traitements médicamenteux… Et le secteur le plus concerné reste celui de la chimie, qui construit de nouvelles molécules à l'échelle nanoscopique et les conjugue aux matières premières pour élaborer des structures hybrides, comme des plastiques conducteurs. 

Ces nouvelles techniques ouvrent la voie à d’innombrables développements en matériaux, électronique, pharmacie, industrie chimique, aérospatiale ou pour le développement durable. En ajoutant, par exemple, des nanoparticules en surface ou au cœur des structures actuelles, elles deviendront "intelligentes", c’est-à-dire adaptatives. Des avancées en photonique rendront rapidement l’énergie solaire très rentable. Des nanoparticules métalliques vont améliorer l’efficacité des catalyses, c’est-à-dire accélérer les réactions chimiques, sans ajout de solvants. Des membranes dont les pores seront de la taille nano filtreront davantage l’air et les eaux, pour les dépolluer en oxydant les molécules organiques (virus, bactéries, pesticides…) ou les désaliniser par exemple. Les véhicules de transports pourront, eux, être allégés pour consommer moins, tout en étant davantage sécurisés grâce à des carrosseries renforcées, des pneumatiques plus résistants,...

Travailler à l’échelle de l’atome, la tâche n’est donc pas simple. Pour y parvenir, des équipes à travers le monde élaborent de nouveaux outils. Dans l’hexagone, ce défi titanesque - qui rappelle l’exploration précédant l’invention de la machine à vapeur ou du circuit intégré - attire beaucoup de spécialistes….

La nanoscience en marche

Déjà 35 pays se sont lancés dans la course à l’innovation "Nano" : six grandes équipes de recherche aux Etats-Unis manipulent la matière atome par atome chaque jour, cinq en Allemagne, deux en France, deux en Suisse, deux en Chine, deux au Japon, une à Singapour… Publique ou privée, la recherche sur les nanosciences et les nanotechnologies représente un budget annuel international de neuf milliards de dollars, selon le programme américain National Nanotechnology Initiative.

Les principaux efforts mondiaux de recherche et développement sont fournis par les Etats-Unis, le Japon, et l’Union Européenne : trois milliards de dollars sont investis outre-atlantique, et plus d’un milliard en Europe. En tête de la dynamique européenne : l’Allemagne et le Royaume-Uni, avec chacun 250 et 200 millions d’euros.

En France, dès la fin des années 1990, une importance majeure est donnée aux nanotechnologies via le CNRS et le CEA (Commissariat à l’énergie atomique). Depuis, la communauté scientifique n’a cessé d’investir ce domaine de recherche, en y injectant 150 millions d’euros chaque année. Dès 2002, les nanosciences sont devenues une des cinq priorités interdisciplinaires du CNRS, qui emploie maintenant, au total, 3500 chercheurs, ingénieurs, techniciens, enseignants et doctorants sur cette thématique dont 1 000 sont en poste permanent.
En 2005, 166 laboratoires associés au CNRS mettaient à contribution leur matière grise pour l’avancée des nanotechnologies, sur 190 identifiés sur le territoire par l’ERA Net (le réseau de coordination des actions régionales et nationales pour la recherche européenne).

De grands projets français

Un engagement à la taille d’une grande ambition. Face à la concurrence mondiale, la recherche française s’organise. Des regroupements stratégiques entre laboratoires et entreprises se forment, appuyés par des politiques de recherche nationales et européennes. Tour d’horizon de ce maillage du territoire français.

Dès 1999, un Programme national micro et nanotechnologies avait été mis en place par le Ministère chargé de la recherche. Le but ? Favoriser l’émergence d’établissements innovants spécialisés. Propulsé en programme prioritaire depuis 2005 via le Réseau national en nanosciences et nanotechnologies (R3N) par l’Agence nationale de la recherche (ANR), il a fait naître treize grandes centrales de nanotechnologies. Elles mettent en commun les équipements nationaux massifs et coûteux (salles blanches, microscopes à balayage…) et favorisent les collaborations extérieures pour d’ambitieux projets.

Ce réseau commence déjà à porter ses fruits. Deux exemples : une nouvelle source d’imagerie médicale et industrielle a été trouvée, via l’émission de radiations teraHertz d’un nanotransistor, à Lille en collaboration avec des chercheurs de Montpellier. A Paris cette fois, des nanoparticules semi-conductrices de quelques nanomètres de diamètre améliorent la visualisation en temps réel du fonctionnement des neurones.

Cinq centrales se distinguent :

A cela, il faut ajouter les Centres de compétences C’NANO, mis en place en 2004 et 2005 en Ile de France, Grand Est, Sud Est, Rhône-Alpes et Grand Sud-Ouest.

Ils favorisent au niveau régional la pluridisciplinarité des travaux de recherche. Comment ? En reliant, chacun, plusieurs dizaines de laboratoires locaux aux spécialités diverses, dont notamment l’Institut des nanosciences de Paris (INSP). Toute cette organisation nationale s’appuie, bien sûr, sur les deux grands réseaux d’établissements publics : EPIC (Etablissements publics à caractère industriel et commercial) et EPST (Etablissements publics à caractère scientifique et technique), ainsi que sur les universités.

Les EPIC et les EPST :

Côté valorisation maintenant. Pour le transfert de l’activité bouillonnante de ces laboratoires, des Réseaux de recherche et d’innovation technologique (R2IT) ont été lancés dès 1998 et 1999. Ils soutiennent les projets directement liés aux besoins économiques ou sociétaux. L’objectif : favoriser la création, ou la croissance, des PME et PMI (petites et moyennes entreprises et industries). Trois réseaux existent, guidés par la veille stratégique des quelques 200 experts de l’Observatoire des micro et nano technologies (OMNT) :

- le Réseau micro et nanotechnologie (RMNT) qui joue la carte de la pluridisciplinarité : électronique, mécanique, optique, chimie, biologie, etc.
- Le Réseau national matériaux et procédés (RNMP) dont les projets vont de la conception de matériaux nouveaux à l'amélioration ou la substitution de matériaux traditionnels, de l'étude des comportements et du vieillissement aux procédés d'élaboration et d’usinage.
- Ainsi que le Réseau national de recherche en télécommunication (RNRT) pour l’avenir du multimédia, d’Internet, des téléphones portables tout autant que de la diversité des satellites.

D’ailleurs, comment ne pas citer, dans ce contexte territorial, les initiatives industrielles ! Nombre de multinationales, telles qu’Eads, Arkema, Rhodia, STM Microelectronique, Baikowski-Chimie, Airbus France, Michelin, L’Oréal, Atofina, St-Gobain, Air Liquide ou la Snecma, ainsi que des PME régionales (DGTec, Alchimer, Inanov…) développent d’importants programmes de recherche en partenariat avec les laboratoires publics.

L'ERANET "NanoSci-ERA " a été créé par l'Union Européenne et sa mise en place a été confiée à la France par le Pr Tomellini, chef de l'unité responsable des Nanosciences et des Nanotechnologies de la DG Recherche de la CE.

Le choix de la France, et par ricochet du CNRS, découle directement de la politique de maillage de la France avec les C’Nano et la direction unifiée de "l'ACI Nanosciences" dans une approche stratégique ouverte interorganismes. NanoSci-ERA destine ses appels d’offre aux 17 agences nationales de recherche de 12 pays européens : la France, l’Allemagne, l’Autriche, l’Espagne, la Finlande, Israël, l’Italie, les Pays-Bas, la Pologne, le Portugal, le Royaume-Uni, la Slovaquie.
De plus, pour limiter les risques liés à l’investissement d’innovation, les appels à projets Eurêka, entre entreprises et instituts de recherche, existent entre la France, l’Allemagne, l’Autriche, la Belgique, le Danemark, l’Espagne, la Russie, la Finlande, la Grèce, la Hongrie, l’Irlande, l’Islande, l’Italie, le Luxembourg, la Norvège, les Pays-Bas, le Portugal, le Royaume-Uni, la Slovénie, la Suède, la Suisse et la Turquie.

Cette fois, la propriété des innovations - en biotechnologies, laser, nouveaux matériaux ou transport par exemple - appartient aux industriels, même si la France plafonne toujours à la 5ème place mondiale.

(Source : CNRS - 2014)