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Pour un principe matérialiste fort

Compléments du livre
"Pour un principe matérialiste fort"

 

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Les nanotechnologies. Perspectives stratégiques. Etat des recherches


On confond parfois les nanotechnologies avec les biotechnologies. Les unes et les autres se situent au niveau de la molécule et souvent de l’atome. Mais les biotechnologies concernent le vivant, tandis que les nanotechnologies s’intéressent plutôt aux matériaux et aux machines – différences qui n’empêche pas d’ailleurs leur coopération dans un nombre de plus en plus grand d’applications.

Avec les nanotechnologies, on travaille à l’échelle du nanomètre, c’est-à-dire du milliardième de mètre. Une molécule d’ADN mesure quelques nanomètres, un atome (par exemple de silicium) quelques dixièmes de nanomètre. A ces échelles, les lois de la physique ne sont plus celles de notre monde matériel (macroscopique) mais celles du monde quantique. Retenons seulement que les concepts d’atomes, d’électron, de proton ou même de molécules, couramment utilisées dans le vocabulaire des nanotechnologies, ne correspondent pas à ce que l’on entend dans le vocabulaire courant. Ainsi, une particule quantique ne peut pas être localisée simultanément en position et en vitesse (principe d’indétermination d’Heisenberg). Il s’agit en fait d’un système quantique que l’on désignera du terme de particule par commodité, mais qui, pour être manipulé, exigera le formalisme mathématique et les instruments propres à la mécanique quantique. On ne parlera plus alors d’une particule bien définie mais d’états probabilistes.

Malgré ces difficultés, depuis les années 1980, de nombreux laboratoires ont commencé à travailler à ces niveaux atomiques et subatomiques. Le microscope à effet tunnel, inventé en 1982, a permis de déplacer les « atomes », afin de les recombiner en formes nouvelles de matériaux et de machines. Aujourd’hui, de nombreux dispositifs utilisant les lasers, les champs magnétiques, les synthèses chimiques, permettent d’intervenir au niveau des molécules et des atomes et de modifier leurs relations. Ceci se fait aussi bien dans la cellule vivante, dont on comprend ainsi mieux les mécanismes intimes, que sur des composés inertes.
Très tôt, le livre fondateur du physicien Eric Drexler, Engines of Creation, a révélé en 1986 au grand public et aux décideurs les nombreuses possibilités futures de ces techniques (On en trouve une traduction française sur le web à l'adresse : http://www.foresight.org/EOC/FrenchEOC.txt). Les articles et ouvrages sont aujourd’hui nombreux. Citons par exemple "Le Nanomonde, voyage au coeur du minuscule", livre du physicien français Jean-Louis Pautrat, publié chez Fayard. Le sénateur Saunier (PS) a pour sa part présenté un rapport sur le thème « L'évolution du secteur des semi-conducteurs et ses liens avec les micro et nanotechnologies »
http://www.senat.fr/rap/r02-138/r02-138.html  ).

Avec les nanosciences et les nanotechnologies, la difficulté est de distinguer ce qui relève encore de l’expérimentation, voire de la science-fiction, et ce que donne lieu d’ores et déjà à des applications prometteuses. Par ailleurs, les références constantes au monde quantique, dont la connaissance est encore très peu vulgarisée, ne facilitent pas l’approche. Cependant l’effort d’une mise à niveau minimum doit être fait par tous les décideurs et les responsables politiques. Les nanosciences sont une des clefs majeures pour comprendre le monde en train de s’édifier, et le rôle qu’y jouent les grandes puissances scientifiques.

1. Perspectives stratégiques

Nous ne pouvons ici en dire plus ici concernant les techniques et les instruments qui sous-tendent le développement des nanosciences. Précisons seulement qu’il s’agit dorénavant de mettre en place de vastes plates-formes technologiques où les différentes sciences se conjuguent, avec des moyens puissants de recherche fondamentale et d’exploration. L’investissement est de taille nationale, sinon (pour ce qui concerne nos pays) de taille européenne. Il impose en tous cas des réseaux d’excellence indispensable à la productivité des recherches.
Applications

Déjà en œuvre ou en cours de développement à un horizon de dix ans, les grandes applications des nanotechnologies concernent :

- La réalisation de composants électroniques de plus en plus miniaturisés et de haute densité. Pour les informaticiens, les microsystèmes et circuits intégrés travaillant à l’échelle du micron, puis de quelques centaines et bientôt de quelques dizaines de nanomètres, offrent des performances remarquables en matière de consommation d’énergie, vitesse, dégagement de chaleur et coûts. Ils sont indispensables dans les calculateurs modernes comme dans les mobiles de toutes sortes qui se répandent dans la société. La marche vers le nanométrique pourra se poursuivre quelques années encore, jusqu’à ce que le niveau quantique soit atteint et rende inopérant les processus dits du « silicium », actuellement utilisés pour la réalisation des composants.

Mais, à ce stade, les nanotechnologies offrent l’espoir de solutions, avec l’ordinateur quantique e, éventuellement, l’ordinateur à ADN. Ce domaine est absolument fondamental. Si l’Europe y dépendait de l’étranger comme elle dépend actuellement des américains dans le domaine des calculateurs et les logiciels, s’en serait fait définitivement de ses ambitions économiques et politiques.

- La recherche bio-médicale. Le secteur est en pleine expansion. En attendant les nano-particules et nano-machines (voir ci-dessous) qui circuleront dans le corps humain pour y apporter des vaccins et médicaments, les nanotechnologies ont déjà de nombreuses applications intéressant la biologie et la santé. Citons la fabrication de marqueurs moléculaires pour déterminer les gènes actifs dans telle ou telle situation et y adapter des médicaments ; l’analyse rapide de l’ADN à partir de bio-puces afin de réaliser les tests génétiques notamment en vue de la prévention des maladies génétiques ou du diagnostic relatif au caractère malin ou bénin des cancers. Certains articles présentent cette perspective comme une véritable révolution dans le traitement des tumeurs. Les bio-puces sont des supports inertes où l’on peut placer des brins d’ADN afin d’étudier leur appariement avec d’autres brins apportés à leur contact. Le tout opère au niveau nanométrique. On mentionnera aussi les nanomatériaux utilisés dans les prothèses pour faciliter leur insertion dans le corps ou la réalisation d’agents dits « de contraste » permettant d’affiner l’imagerie médicale fonctionnelle, dont on sait les innombrables perspectives, y compris en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement de cerveau.

- Les nanomatériaux et nanomachines. Il s’agit de produire des atomes et des molécules de produits n’existant pas à l’état naturel dans la nature ou non encore clairement identifiés dans l’environnement naturel. Ces produits serviront à la plupart des chantiers d’ingénierie envisageables, que ce soit au niveau macroscopique ou microscopique. On mentionne par exemple les revêtements pour prothèses faits de nanoparticules leur permettant de mieux se fixer dans les tissus. Dans l’industrie, on étudie maintenant les possibilités des nanotubes, qui permettront de réaliser des fibres de très grande taille, d’une légèreté et d’une résistance inégalée. Elles trouveront usage partout, y compris dans les grands ouvrages d’art. Mais, à une toute autre échelle, les nanoconstructions permettront d’élaborer des structures et des machines efficaces à l’échelle du nanomètre. On parle beaucoup, par exemple, du moteur moléculaire. Bornons-nous à indiquer un des principes de ceux-ci. Il s’agit d’utiliser l’effet brownien (bombardement d’une molécule par des photons) pour la faire tourner. Un dispositif laser retient les particules qui poussent la molécule dans le sens de la rotation, et freinent celles qui poussent en sens contraire. C’est l’effet dit « cliquet ». Ces recherches ont par ailleurs l’intérêt de faire mieux comprendre ce qui se passe au sein des cellules vivantes, notamment pour modéliser leurs actions motrices.

- Les supramolécules. On sait que, dans les corps vivants, les molécules vitales telles les hormones s’organisent par liaison chimique dite faible (contrairement aux atomes des cristaux, par exemple, qui sont liés entre eux par des liaisons fortes ou covalentes). La chimie supramoléculaire étudie ces organisations, résultant de l’interaction de groupes donneurs ou accepteurs d’électrons. Les molécules ayant plusieurs possibilités de liaison supramoléculaires sont dotées de la propriété dite de l’auto-organisation, propre à la vie. Avec les nanotechnologies est apparue la possibilité de susciter des auto-organisations artificielles, selon des architectures choisies en fonction des résultats attendus. Le processus une fois engagé se poursuit spontanément (réplication) pouvant aboutir à la production d’un très grand nombre d’éléments. Les voies classiques de la synthèse moléculaire, toujours lentes, sont ainsi remplacées par des possibilités de production en masse, s’inspirant du vivant. On obtient ainsi à des prix raisonnables une variété infinie de composants de base, de type biologique ou inorganique, pouvant servir à de multiples usages : calcul informatique, interventions thérapeutiques, réalisation de nouveaux matériaux et produits chimiques. Il est évident en contrepartie que les facultés d’auto-reproduction de telles entités, qui les assimilent à des virus, exigeront un minimum de précautions afin qu’ils ne s’échappent pas dans leur environnement. Aujourd’hui, la réalisation de telles « usines moléculaires » ne s’envisage encore qu’en laboratoire.

Questions politiques et sociales

Dans les pays qui, comme les Etats-Unis et le Japon, considèrent les divers aspects des nanotechnologies comme un enjeu de pouvoir militaire ou économique à déployer dans leurs zones géographiques d’influence, les recherches et la production de nano-objets bénéficient d’une vision et d’une stratégie globale ainsi que de moyens très importants en chercheurs et en crédits.
Mais, même dans ces pays, on note de plus en plus de débats sur les conséquences économiques et sociales de l’explosion attendue des nanotechnologies. Les questions en discussion concernent :

- L’emploi. Il est indéniable que les sites de production industrielle traditionnels, que ce soit en matériaux inertes ou en produits organique et pharmaceutique, devront laisser place à des plates-formes de production dotées d’équipements infiniment plus complexes et coûteux. Il faudra donc sans attendre préparer la transition. Cela ne se fera pas sans conflits, les vieilles industries métallurgiques, chimiques et pharmaceutiques employant beaucoup de monde qu’il faudra reconvertir. Il est certain qu’en contrepartie, comme d’autres technologies avancées, des emplois, notamment qualifiés et très qualifiés, pourront être crées. Par ailleurs, elles auront un effet démultiplicateur d’activités dans tous les secteurs où elles apporteront de nouveaux outils et produits. Encore faudra-t-il adapter à cette fin l’appareil universitaire et de formation.

- La croissance. Au plan de la croissance, les retombées seront indéniablement importantes, pour les pays qui auront su se placer dans le peloton de tête. Mais dans l’immédiat, il faut investir, sans retour sur investissement immédiatement prévisible. Les investissements peuvent être extrêmement coûteux. Nous pensons par exemple aux plates-formes de production des puces de toutes sortes. Il faut compter 5 milliards d'euros l'unité pour traiter des tranches de silicium de 300 mm, qui sont dorénavant la règle. Ceci explique bien des concentrations prévisibles, dont souffriront les salariés des petites unités mais qui paraissent indispensables. D’où la nécessité, en Europe, de regroupements d’entreprises. Il ne faut pas oublier non plus que les investissements des pays ayant déjà perdu certaines guerres technologiques (comme celle des composants pour ce qui nous concerne) devront d’une façon ou d’une autre être protégés, sauf à laisser s’accroître indéfiniment notre dépendance.

Ajoutons que, dans les différents domaines présentés ici, la recherche publique fondamentale doit jouer un rôle considérable, vu la nature des recherches à mener (haute scientificité, peu de rentabilité immédiate, caractère stratégique). Mais il faudra aussi intéresser les entreprises petites et moyennes aux nombreuses retombées immédiatement valorisables.

Les applications militaires, en matière de nanotechnologies, sont extrêmement nombreuses. Comme dans les autres secteurs stratégiques, elles joueront un rôle de locomotive. L’Europe ne devra pas s’en priver.

- La gestion des risques. En France, l’opinion, mal informée de la consistance exacte des risques, commence à se mobiliser sur les investissements intéressant les nanotechnologies, telle la plateforme Minatec à Grenoble. Nous pensons que les risques aujourd’hui sont faibles ou nuls, tant du moins que l’on prendra, comme en microbiologie ou dans le nucléaire, les précautions qui s’imposent. Cependant, il ne faut pas nier à terme les risques inhérents à ces nouvelles technologies: par exemple les risques de maladies pulmonaires liées à l’absorption des nanofibres, ou la possibilité de réplication non-contrôlée de molécules auto-organisatrices... Il faut dès maintenant prendre l’habitude d’évoquer ces risques, sans en faire des épouvantails, afin d’éviter les campagnes mal intentionnées.

2. L’état des recherches

On voit le caractère stratégique des nanosciences, qui seront à la source d'applications nouvelles civiles et militaires dans les secteurs de l’informatique, de la santé, du spatial, des matériaux, de l'énergie, des transports ou de l'environnement.

Les Etats-Unis et le Japon ont déjà pris pleinement conscience de cet enjeu. Les Etats-Unis financent depuis 1999 la National Nanotechnology Initiative avec 700 millions de dollars en 2003. La Grande Bretagne pour sa part vient également de lancer un grand programme dédié aux nanosciences.
De son côté, L'Union européenne affiche les nanotechnologies comme une priorité dans le cadre du 6ème PCRD. Elle consacre ainsi à partir de 2003 un budget de 1,3 Milliards d'Euros au thème "Nanotechnologies et moyens de production nouveaux concernant les matériaux perfectionnés", tout en finançant le domaine de la micro et de la nanoélectronique au sein du thème "Technologies pour la Société de l'Information", doté pour sa part (dans sa totalité) d'un budget de 3,6 Milliards d'Euros.

Cependant, une mission de scientifiques américains a analysé début 2002 le potentiel des laboratoires européens dans les nanotechnologies et en a conclu que l'écart entre l'Europe et les USA se creusait au profit de ces derniers.

En France, le panorama est encore moins satisfaisant, ce qui tient d’une façon générale à l’ignorance, par les décideurs comme par les électeurs, de l’existence même des nanosciences et de leurs enjeux. Il s’ensuit un nouveau et indéniable retard français, constaté par le Sénat lui-même lors d’une séance consacrée à la présentation des nanotechnologies le 23 janvier 2003. Des efforts ont été faits mais restent faibles et dispersés. L’effet de seuil semble encore loin d’être atteint. Cependant, le paradoxe est que la France est déjà très présente dans le domaine de la micro-électronique, aussi bien dans la recherche à travers le CEA-LETI et de nombreux laboratoires universitaires, que dans l'industrie via l’entreprise italo-française ST Microelectronics, sans oublier des PMI, par exemple Soitec à Grenoble.

Le précédent gouvernement, relayé par l’actuel, avait néanmoins compris que la France devait renforcer ces points d’excellence, afin de ne pas rester à la traîne en Europe. En 2003, a été lancé un nouveau programme national "Nanosciences", avec un financement de l'ordre de 12 millions d’euros, associant les partenaires cités ci-dessus, auxquels doivent s'ajouter l'INSERM et la Délégation Générale à l'Armement. Les thèmes retenus dans l'appel à projets de recherche concernent les objets individuels et composants élémentaires, l'information quantique, l'organisation et l'assemblage de nano-objets ainsi que les architectures de circuits, les nanomatériaux et les nano-bio-sciences. Une part du financement servira à la constitution de réseaux d'excellence ou à la préparation de projets intégrés européens.

On peut rappeler par ailleurs que, dans le cadre du partenariat entre la recherche publique et l'industrie, les Ministères en charge de la recherche et de l'industrie ont créé dès 1999 le "Réseau Micro et Nano Technologies » (RMNT) qui soutient des projets coopératifs entre industriels et laboratoires de recherche publics. L'ensemble des activités du réseau, associe chercheurs et industriels, qui participent au Comité de Coordination avec les représentants des ministères, de l'ANVAR et de la DGA. Depuis son lancement, 51 projets ont été labellisés, sur 120 déposés par 300 partenaires différents, dont de nombreuses PME. Cela représente un soutien total de 42 Millions d’euros financés sur 4 ans par les Ministères de la Recherche, de l'Industrie et l'ANVAR. La moitié de ces projets environ concerne les nanostructures, les nanomatériaux et la nanoélectronique. L'année 2002 a été consacrée à l'élaboration d'un livre blanc destiné à préciser la délimitation du domaine industriel, scientifique et technique, afin de définir le positionnement du RMNT, ses objectifs et sa stratégie.
Aujourd’hui, l’effort se porte, à la demande du ministère de la Recherche, sur la constitution de plates-formes technologiques destinées à concevoir les procédés technologiques élémentaires du futur et mettre au point les filières d'assemblage, autour d'un réseau de quatre grandes centrales technologiques compétitives au niveau mondial.

Les sites de Grenoble (CEA-LETI ) qui héberge le pôle Minatec et la fédération d'unités mixtes de recherche, associant le CNRS, l'Institut National Polytechnique de Grenoble et l'Université Joseph Fourier), de Lille (IEMN), de Toulouse (LAAS) et de Paris-Sud (IEF et LPN)(6) ont été choisis. L'ensemble de ces sites représente un effectif proche d'un millier de personnes, chercheurs, ingénieurs, techniciens et administratifs, qui possèdent la compétence et l'expertise nécessaire(7).

A côté du réseau de grandes Centrales Technologiques, huit centrales dites spécifiques, dotées d'équipements plus classiques ou d'outils particuliers, viennent compléter le dispositif. Localisées pour certaines sur deux sites, elles sont situées à Grenoble, Lyon, Marseille, Montpellier, Limoges-Bordeaux, Rennes, Nancy-Strasbourg et Besançon.

En récapitulant ces diverses actions et les budgets qui leur sont consacrés en 2003, on arrive à 50 millions d'euros pour le ministère de la Recherche, auxquels on ajoutera le programme national "Nanosciences" fédéré par la Direction de la Recherche (12 millions d'euros), le réseau des quatre centrales technologiques piloté par la Direction de la Technologie (30 millions d'euros), l'irrigation vers les PMI du programme "Réseau Micro- Nano-Technologies" (8 millions d'euros) soit un total d’environ 100 millions d’euros, à rapprocher des 700 millions de dollars en 2003 de la National Nanotechnology Initiative américaine (qui est loin de couvrir toutes les dépenses consenties dans le domaine par les diverses agences concernées).

Bien qu’honorable, la position de la France n’est pas, selon nous, à la hauteur de la compétition internationale. Différentes raisons peuvent l’expliquer. Nous n’en mentionnerons qu’une, hors le manque de prise de conscience des enjeux par les décideurs et les hommes politiques en général : la relative dispersion des laboratoires et des chercheurs, ainsi que celle de la difficulté de mener des carrières interdisciplinaires dans le cadre académique, carrières qui s’imposent dans des recherches qui conjuguent la physique, la biologie et l’informatique.

Pour compléter ou actualiser les données précédentes, on pourra consulter sur le web :

Forum de coopération européenne en nanotechnologies : http://www.nanoforum.de

Programme nanosciences du CNRS : http://www.cnrs.fr/cw/fr/prog/progsci/nanosciences.html

Réseau National des Micro et Nanotechnologies : http://www.rmnt.org

Pôle d'Innovation en Micro et Nanotechnologies : http://www.minatec.com

Laboratoire d'Electronique de Technologie de l'Information : http://www-leti.cea.fr

Dossier Nanotechnologies du CEA : http://www.cea.fr/fr/presse/dossiers/dossier_nanosciences.pdf

Les nanomondes : http://perso.wanadoo.fr/nanotechnologie


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