Les applications actuelles et à venir des nanotechnologies

Demain des nanorobots programmés pour venir s’attaquer aux cellules cancéreuses ?
Demain des nanorobots programmés pour venir s’attaquer aux cellules cancéreuses ?

50 nuances de matière grise

Les nanotechs révolutionnent enfin une multitude de secteurs. Progrès en R&D et plus grande maturité face à la nouveauté y contribuent.

Des chercheurs sino-américains ont testé un procédé permettant à des nanoparticules d’entrer à l’intérieur de la cellule cancéreuse pour y libérer le médicament directement dans le noyau cellulaire, selon une étude parue dans Nature Biotechnology. L’actualité scientifique et industrielle est souvent animée par ce genre de tours de passe-passe de l’infiniment petit. On agit désormais à l’échelle du nanomètre, soit la distance entre deux atomes. Grâce à l’invention de deux instruments, le microscope à effet tunnel et le microscope à effet atomique, il est possible d’observer, de manipuler et de créer des nanostructures. En assemblant atomes et molécules, on obtient de nouvelles propriétés physico-chimiques, et donc des ruptures en électronique, informatique, communication, énergie, santé, alimentation… Les applications foisonnent et vont foisonner.

Accélération et maturité

Les nanosciences ont fait un vrai bond en avant en 2001 avec la création de la National Nanotechnology Initiative aux Etats-Unis, en symétrie avec le programme cadre de l’UE et le programme national nanosciences en France. « Les industriels se sont en fait intéressés au sujet bien avant, ayant déjà mis au point des applications, dans les pots catalytiques ou dans les pneumatiques avec des nanoparticules de silice. Mais nous constatons une nette accélération depuis cinq ans », affirme Olivier Spalla, chercheur en nanomatériaux, responsable du département de sciences physiques, ingénierie, chimie et énergie (Spice) à l’Agence nationale de la recherche (ANR). Les retombées ne sont pas près de s’émousser. Par exemple un milliard d’euros est versé en dix ans dans le programme « Graphene Flagship », pour moitié par la Commission européenne et pour l’autre par les pays membres participants. Le but de ces recherches ? « L’élaboration d’un matériau à base de feuilles de graphène très fines, pour par exemple concevoir des tablettes flexibles, ou des systèmes anti-foudroiement très légers embarqués dans les avions. On constate le même engouement que pour les nanotubes dans les années 90 », révèle Olivier Spalla, qui a réalisé à l’époque sa thèse, en collaboration avec Rhône-Poulenc, sur les nanomatériaux, à propos de particules dans les pots catalytiques, avant que le sujet ne soit à la mode. La recherche s’est structurée. En France depuis 2005 l’Etat finance les centrales de technologie pour la Recherche technologique de base (RTB) et y a injecté 140 millions d’euros. Ici, le CNRS s’active en amont, le CEA-Leti joue l’intégrateur pour l’industriel. La technopole grenobloise représente d’ailleurs un bassin de recherche et d’ingénieurs unique en Europe dans ce domaine duquel émergent des dizaines de start-up.

Electronique

L’exemple de la microélectronique montre que nous sommes en mesure de produire sur une surface un nombre toujours plus élevé d’éléments constituants. Ainsi le nombre de transistors des microprocesseurs sur une puce de silicium double tous les deux ans, vérifiant la loi de Moore. En 2006 les processeurs sont produits en masse avec une finesse de 65 nanomètres. En 2013 de 14 nm… Mais cette miniaturisation atteint ses limites, tout du moins pour une technologie héritée des procédés conventionnels de photolithographie. Les nanotechnologies suggèrent une nouvelle approche plus radicale. Beaucoup de projets sont donc dans les cartons en nanoélectronique, où au contraire on part du plus petit pour aller vers le plus grand, des atomes vers les machines et les produits manufacturés. Dans le viseur, des ordinateurs toujours plus petits, et de l’auto-assemblage à partir d’objets créés avec les molécules.

Matériaux et chimie

En 1986, Eric Drexler publie un ouvrage sur les nanotechnologies, « Engines of Creation », dans lequel il prévoit des progrès faramineux : les lois physiques paraissant insurmontables aujourd’hui pourraient être dépassées, les produits créés pourraient être moins coûteux, plus solides, plus efficaces grâce à la manipulation moléculaire. Si l’on crée dans ces matériaux des structures à l’échelle nanométrique, et si l’on sait les contrôler, on peut voir apparaître des propriétés nouvelles – électriques, mécaniques, optiques… – ou des combinaisons inédites de propriétés. Résultat : des métaux et des céramiques qui se déforment plus facilement, des polymères aux propriétés mécaniques et électriques inédites, voire combinées, des super-bétons ultra-résistants et simples à créer… Les effets des structures nanométriques sont toujours aussi impressionnants et prometteurs. Exemple pratique avec le cuivre : lorsque ce métal est constitué de nanocristaux, il peut être déformé de manière homogène à température ambiante, et non très élevée comme c’était le cas. A plus long terme, les chimistes cherchent à créer des matériaux entièrement nouveaux, qui trouveront des applications notamment dans les TIC (mémoires, télécommunications…). D’autre part, les rapports de surfaces devenant prépondérants, les nanotechnologies ouvrent des perspectives en chimie, en particulier pour la catalyse qui se trouve amplifiée. « Or nous ne savons faire que des réactions chimiques catalysées, sinon cela ne fonctionne pas. Sans système catalytique, pas de matériaux », précise Olivier Spalla.

Pharma et nanomédecine

L’ingénierie moléculaire, rendue possible grâce au microscope à effet tunnel, consiste à construire et développer des molécules « à façon ». On imagine la kyrielle d’applications concoctées par les labos pharmaceutiques et les biotechs. Les propriétés des nanomatériaux sont exploitées pour des applications variées : des agents contrastants pour l’imagerie de cellules, des thérapeutiques pour la lutte contre le cancer… On peut ajouter des fonctions aux nanomatériaux en les interfaçant avec des molécules biologiques. Leur taille est en effet assez proche. Les nanomatériaux sont donc utiles à la recherche et aux applications in vivo et in vitro. Cette intégration permet l’émergence d’outils de diagnostic ou d’administration de médicaments. Tout est plus règlementé et prend plus de temps dans la santé, comme dans l’aéronautique ou dans l’aérospatiale. « Pourtant on dénombre déjà 400 sociétés de nanomédecine à travers l’Europe, avec une explosion certaine ces dernières années. Ce sont plutôt les start-up qui s’activent, et qui sont proches du marché, après test et vérifications », note Laurent Levy, président et cofondateur de Nanobiotix, société leader en nanomédecine. On distingue une première vague de nanotechnologies utilisées comme supports à médicaments, encapsulés, ce qui permet de les administrer plus efficacement et précisément – un bienfait en oncologie par exemple. Les nanocapsules passent plus facilement les barrières internes pour se rendre dans les tumeurs. « Dans la deuxième vague, ce sont les nanoparticules elles-mêmes qui ont une action physique. Nous dénombrons une quarantaine de produits aujourd’hui », explique Laurent Levy.

Energie

Les avancées dans le domaine de la production et du stockage d’énergie sont notoires. Dans le domaine de la production de lumière, l’utilisation de matériaux issus des nanotechs tels que les LED permet d’obtenir un rendement très intéressant. L’utilisation des nanotubes de carbone dans le domaine du stockage de l’électricité peut permettre de créer une pile – un supercondensateur – qui se recharge en quelques secondes, tout en étant plus léger qu’une batterie chimique et ayant une durée de vie de 3000 ans. L’utilisation de matériaux nano-poreux pour le stockage de l’hydrogène peut enfin permettre de démocratiser son utilisation, actuellement bloquée par la faible quantité d’hydrogène stockée dans les réservoirs conventionnels bourrés de défauts (fuites et lourdeur). Cet hydrogène peut alors être utilisé dans des moteurs à combustion ou par des piles à combustible.

Et demain ?

Les industriels iront forcément plus loin que cette première génération de nanomatériaux passifs dans les crèmes solaires, peintures et enduits… Vêtements, accessoires de sport, cosmétiques, soins personnels, électronique, informatique vont encore être bouleversés. « L’arrivée des matériaux intelligents n’a pas fini de nous étonner. Dans la santé les applications arrivent par vagues, comme en ce moment », observe Laurent Levy chez Nanobiotix. Et les conditions sont plus propices à ce que les applications industrielles émanent plus vite de la recherche. « Mon but à l’ANR est de parvenir à sortir les nanotechs des labos. Pour raccourcir le temps entre une découverte et une application entrepreneuriale, nous finançons des projets partenariaux en amont, avec des industriels et des académiques, qui partent d’assez bas. C’est la clé du succès. Après trois ou quatre ans de travail collectif, les industriels peuvent passer à des phases de commercialisation », explique Olivier Spalla, qui finance de nombreux tests. « Plusieurs exemples existent en microélectronique, des start-up ont émergé dans les condensateurs à nanotubes de carbones. Je pense à ce bus qui se recharge du coup pendant les arrêts de voyageur », ajoute le scientifique. Il existe désormais un souci croissant du côté des acteurs – le centre de compétences en nanosciences C’Nano possède des antennes régionales – de former partout des chercheurs aux méthodes de valorisation. L’optimisme est donc de mise dans un domaine transverse qui apparaît là où on ne l’attend pas. Des membranes à nanopores peuvent assainir l’eau, ou même la désaliniser. « On peut progresser dans les marquages anti-contrefaçons sur passeports, ou dans la détection d’empreintes humaines, par un nanospray que nous avons financé », cite aussi Olivier Spalla à l’ANR.

Julien Tarby

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