Nanosciences et nanothechnologies
Évolution ou révolution ?

Sommaire et contenu du livre "Nanosciences et nanothechnologies - Évolution ou révolution "

TABLE DES MATIÈRES Les nanosciences 3 Les auteurs 4 Remerciements 14 Préface 15 Avant-propos 18 Introduction: L'échelle nano 20 Louis Laurent 1 «Ilyapleindeplace toutenbas».................................. 20 2 Un peu d'histoire.................................................... 21 3 Lenanomonde...................................................... 23 3.1 La matière à l'échelle de quelques atomes..................... 23 3.2 Électricité..................................................... 25 4 Commentfabriquerdes objetssipetits?............................ 26 4.1 Auto-organisation............................................. 27 4.2 Nanofabrication............................................... 28 4.3 Imiter la nature................................................ 28 5 Pourquoifaire? .................................................... 29 5.1 Nanomatériaux................................................ 29 5.2 Nanoélectronique............................................ .. 30 5.3 Biologie,nanomédecineetsanté............................... 30 6 Les débats.......................................................... 31 7 Perspectives....................................................... .. 34 PREMIÈRE PARTIE NANOPHYSIQUE. NANOÉLECTRONIQUE ET NANOPHOTONIQUE 37 Chapitre 1 PANORAMA DU DOMAINE. ...................................... 38 Jean-Michel Lourtioz 1 y a-t-il une feuille de route pour la nanophysique ? L'exemple de la nanoélectronique................................... 38 2 Des nanotechnologies de plus en plus performantes, mais aussi de plus en plus flexibles. ................................. 42 2.1 Deux approches complémentaires............................. 42 2.2 Généralitéssurlesprocédésdefabrication.................... 43 2.3 Lithographieà hauterésolution.............................. .. 44 2.4 Gravure....................................................... 45 2.5 Dépôts et traitements de surface à l'échelle atomique ' 46 2.6 La nano-impression : des nanomètres bon marché aumètrecarré............................................... .. 48 2.7 « Nanolegos » et nouvelles méthodes d'assemblage àtroisdimensions............................................. 49 3 Les nano-objets prennent de la longueur: des agrégats et boîtes quantiques aux nanotubes, nanofils et nanorubans . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1 Fabrication des nano-objets '' . .. 52 3.2 Propriétésphysiquesdesnano-objets................. ......... 57 3.3 CoupedeLycurgue............................................ 60 4 Voir et manipuler les nanostructures : les microscopes se diversifient 61 4.1 Microscope électronique à transmission à très haute résolution 62 4.2 Microscope à effet tunnel: imagerie et manipulation. . . . . . . . . . . 63 4.3 Microscope à force atomique. ................................. 65 4.4 Microscopie optique en champ proche: observationetmanipulation................................... 66 4.5 En guise de commentaires.............. .. . . 69 5 La nanoélectronique de demain, le défi de la consommation « zéro» 70 5.1 Transistor MOS et technologies actuelles........ . .. 70 5.2 Électronique de spin et nanomagnétisme '' 74 5.3 Composantsàeffets quantiques............................... 79 5.4 Composantsàpetitnombred'électrons...................... .. 80 5.5 Électronique moléculaire.... . . . .. . 81 5.6 Memristors et architectures neuro-inspirées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.7 Conclusion.................................................... 83 6 La nanophotonique, sœur jumelle de la nanoélectronique? . . . . . . . . . 84 6.1 Micro-nanosources optiques, lasers et sources à photons contrôlés.................................................... .. 85 6.2 Cristauxphotoniquesetmétamatériaux....................... 88 6.3 La plasmonique, une piste pour le photovoltaïque ou la biodétection : :. 89 6.4 Télécommunications et interconnexions optiques: traits d'union entre la photonique et l'électronique. . . . . . . . . . . . 90 6.5 La photonique aux longueurs d'onde extrêmes: l'ultravioletetlesondestérahertz............................ .. 93 7 La nanophysique, une physique résolument interdisciplinaire. . . . . .. 94 7.1 Des nanofils dans des microsystèmes électromécaniques...... 95 7.2 Les nanobiotechnologies, convergence entre les sciences physiquesetlessciencesduvivant............................ 96 8 La nanophysique demain? , 100 Bibliographie............... ..... ..... .......... .............. ..... .... 102 Chapitre 2 EXEMPLES D'APPLICATION 107 A. Du NANOMÈTRE AU MÉGAWATT: LES APPLICATIONS PHOTOVOLTAÏQUES 107 Bruno Ghyselen B. LA RÉVOLUTION TRANQUILLE DES CAPTEURS MAGNÉTIQUES 114 Claude Fermon 1 Vannesdespinetcapteursmagnétiques........................... .. 114 2 Une première application: le capteur angulaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 115 3 Une application essentielle pour l'automobile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116 4 Détecterdeschampsmagnétiquestrèsfaibles..................... .. 117 5 Mesurerdescourants............................................. .. 118 6 Biomagnétisme et IRM à très bas champ 118 7 Perspectives 120 DEUXIÈME PARTIE NANOMATÉRIAUX ET NANOCHIMIE 121 Chapitre 3 PANORAMA DU DOMAINE..................................... .. 122 Christine Vautrin-Ul 1 Introduction:lananochimie...................................... .. 122 2 Lecarbonedanstousses étatsnano............................... .. 124 2.1 Nanomatériaux carbonés: les structures OD ouétatnanoparticulaire..................................... .. 125 2.2 Les nanomatériaux carbonés: les structures ID - Nanotubesdecarbone....................................... .. 132 2.3 3 La nanochimie au service des nanomatériaux : Les nanomatériaux carbonés: les structures 2D ­Le graphène 135o. 2.4 Les nanomatériaux carbonés: les structures 3D 140 de la chimie moléculaire à la chimie supramoléculaire . . . . . . . . . . . . .. 145 3.1 La chimie « click» : exemple de la voie moléculaire. . . . . . . . . . .. 146 3.2 Auto-assemblage et chimie supramoléculaire 149 o' •••••• 4 Fonctionnalisation des matériaux 156 4.1 De multiples approches de la fonctionnalisation par voies chimiquesgazeuseouensolution........................... .. 157 4.2 Un exemple de fonctionnalisation par voie chimique: les couches auto-assemblées 158 4.3 Fonctionnalisation par voie électrochimique: électrogreffage par réduction de sels de diazonium 159 5 Différentes voies de synthèse chimique des nanomatériaux 162 5.1 Synthèse de nanoparticules métalliques: solutions colloïdales demétauxdetransition..................................... .. 162 5.2 Les matériaux nanostructurés à empreinte moléculaire 170 5.3 Les nanomatériaux hybrides multifonctionnels élaborés par « chimiedouce»......................................... .. 171 6 Conclusion.......................................................... 179 Bibliographie........................................................... .. 180 Chapitre 4 EXEMPLES D'APPLICATION 184 A. LES NANOLUBRIFIANTS ................................................ .. 184 Fabrice Dassenoy 1 Pourquoilesnanos?.............................................. .. 185 2 Propriétés tribologiques des nanoparticules ....................... .. 186 3 Mécanisme de lubrification des nanoparticules d'IF-MeSz 187 4 Conclusion 189 Bibliographie........................................................... .. 190 B. LE NANOCRISTALLITE CIMENTAIRE 191 Abdi Feylessoufi 1 Un matériau étonnant. 191 2 Déjà les Romains. ................................................. .. 192 3 Un réveil tardif suivi d'une évolution rapide 192 4 Lesbétonsàultra-hauteperformance............................. .. 194 5 Vers une taille nanométrique...................................... .. 194 6 Desnanocristallitesplus rigides................................... .. 195 7 Des progrès en thermodynamique des nanocristallites 195 8 Une meilleure résistance aux agressions 196 9 LedébutduXXlesiècle:unavenirtracé.......................... .. 196 10 Les défis scientifiques 200 11 Les défis industriels ' 201 12 Encorebeaucoupdefreins........................................ .. 202 Bibliographie..... .......... .......... ......... ...... .... .............. 204 C. ApPLICATIONS DU NANOTrOz 206 Français Tardif 1 Applications des particules de TiOz de taille comprise entre 250 et 350 nm : des peintures à l'alimentation 206 2 Les nanoparticules de TiOz « 100 nm) : des couches anti-lN à l'élimination de polluants 207 2.1 Couches anti-lN 208 2.2 Applicationàla photocatalyse............................... .. 209 2.3 Application au photovoltaïque 209 3 Toxicité du nanoTiOz 210 TROISIÈME PARTIE NANOBIOSCIENCES, NANOMÉDECINE ET NANOTOXICOLOGIE 213 Chapitre 5 NANOBIOSCIENCES: DES OUTILS ET DES CONCEPTS NOUVEAUX POUR EXPLORER ET MANIPULER LE VIVANT 214 Maxime Dahan 1 Nana-objets: des sondes fonctionnelles pour explorer le vivant à l'échelle nanométrique 215 2 Suivre le mouvement de biomolécules individuelles au sein de la cellule 216 3 Manipuler le vivant à l'échelle moléculaire et cellulaire 219 4 Des nano-objets pour le diagnostic et la thérapie: versla nanomédecine............................................. .. 221 5 Conclusionetperspectives........................................ .. 222 Bibliographie.... ............... ..... ............... ...... ............. ... 223 Chapitre 6 NANOMÉDECINE ET NANOTECHNOLOGIES POUR LA MÉDECINE 224 Patrick Boisseau 1 Nanomédecine ou nanotechnologies pour la médecine? 226 2 L'échelle de taille idéale en médecine 227 3 L'échelle nano : le nouvel eldorado en médecine? 228 4 Le diagnostic médical , 230 4..1 Les laboratoires d'analyse 231 4.2 L'imageriemédicalerevisitée................................ .. 232 4.3 Des implants et des capteurs de plus en plus petits. . . .. .. . .. .. 235 4.4 La médecine personnalisée 237 5 La thérapie 237 5.1 Nanovecteurs ou nanogouttes de médicaments 238 5.2 Pompes à médicaments 240 5.3 Destruction physique des tumeurs '' 241 6 La combinaison du diagnostic et de la thérapie: la théranostique . .. 242 7 La médecine régénérative ' 243 7.1 Les cellules souches en thérapie cellulaire ' 245 7.2 Les biomatériaux 246 8 Les nanotechnologies sont-elles indispensables à la médecine? ' 247 9 Nanomédecine et questionnement éthique ' 248 10 Quelle réglementation pour les nanomédicaments? '' 249 Il Une industrie en pleine émergence ' 249 12 Où en est la France? 251 13 La nanomédecine : évolution ou révolution? ' 252 Bibliographie........................................................... .. 253 Chapitre 7 NANOMÉDICAMENTS : LA SQUALÉNISATION, UNE VOIE POUR DE NOUVEAUX MÉDICAMENTS À ACTIVITÉ ANTICANCÉREUSE OU ANTI-INFECTIEUSE ACCRUE 254 Patrick Couvreur 1 Origineduconceptdesqualénisation............................. .. 256 2 Couplage du squalène à des molécules médicamenteuses 257 3 Caractéristiques et morphologies des principaux dérivés squalénés .. 257 4 Applicationsautraitementducancer............................. .. 259 4.1 Nanoparticules de gemcitabine couplées au squalène 259 4.2 Nanoparticules de siRNA couplées au squalène (SQt;iRNA) 262 5 Application au traitement des maladies infectieuses 264 5.1 Analogues nucléosidiques à activité anti(rétro)virale 264 5.2 Antibiothérapie intracellulaire 265 6 Guidage magnétique, imagerie et « théranostique ». . . . . . . . .. . . . .. . .. 266 7 De la « squalénisation » à la « terpénisation»...................... .. 267 8 èonclusion 269 Bibliographie........................................................... .. 269 Chapitre 8 QUE SAIT-ON DES IMPACTS DES NANOMATÉRIAUX SUR LA SANTÉ? 272 Francelyne Marano et Rina Guadagnini 1 Peut-on comparer les particules ultrafines atmosphériques et leur risque pour la santé avec les nanoparticules? . . . . . . . . . . . . . . .. 274 2 Voies d'exposition aux nanoparticules et effets sanitaires potentiels 276 2.1 Expositionparlavoie respiratoire........................... .. 277 2.2 Exposition par la voie cutanée 280 2.3 Exposition par la voie orale 281 3 Effets des nanoparticules sur le système cardiovasculaire 283 4 Effets sur le système nerveux 283 5 Conclusion 283 Bibliographie........................................................... .. 284 Chapitre 9 LES RISQUES ENVIRONNEMENTAUX ASSOCIÉS AUX NANOTECHNOLOGIES : CONCEPT NOUVEAU OU ANCIEN? 286 Jean-Yves Bottero 1 Des nanoparticules naturelles aux nanoparticules manufacturées .... 287 2 Importanceducontactavecl'eau................................. .. 290 2.1 La solubilisation des nanoparticules suit-elle les mêmes lois que celles des particules micrométriques? 290 2.2 Le passage d'une propriété hydrophobe à une propriété hydrophile. ................................................. .. 291 2.3 Un possible effet « cheval de Troie» 292 2.4 Propriétés d'agrégation associées à une réactivité à l'interface avecl'eauouavecdessolvants.............................. .. 293 4 Principaux mécanismes de toxicité des nanoparticules : 5 Évaluation des risques des nanomatériaux : 3 Transport des nanoparticules dans les milieux poreux. . . . . . . . . . . . . .. 296 expériencessurdesorganismesvivants........................... .. 299 versdesmodèlesprédictifs?...................................... .. 302 5.1 Difficultés inhérentes à l'évaluation des risques 302 5.2 Une approche expérimentale des risques intégrant les dommages « collatéraux» ................................ .. 304 5.3 Vers des modèles prédictifs des risques appropriés aux nanomatériaux.......................................... .. 305 6 Remarques conclusives. .......................................... .. 307 Bibliographie........................................................... .. 308 QUATRIÈME PARTIE NANOTECHNOLOGIES ET SOCIÉTÉ 311 Chapitre 10 RECHERCHE, FORMATION ET DÉVELOPPEMENT INDUSTRIEL EN NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES 312 A. LA RECHERCHE EN NANO 312 Patrice Hesto et Jean-Michel Lourtioz 1 La recherche amont en France 313 2 La R&D en France 315 2.1 L'animation de la communauté 315 2.2 Programmes français et abondements 316 3 Programmes sur le plan international 317 4 Conclusion 320 B. LES FORMATIONS EN NANO 322 Sylvie Retailleau, Claire Dupas-Haeberlin, Jean-Michel Lourtioz et Arnaud Bournel 1 L'opportunité d'une formation interdisciplinaire 322 2 Le LMD et la place de l'enseignement des nanos en France etàl'international................................................ .. 324 3 Les débouchés des formations en nano 330 4 Les nanosciences à l'école 330 5 Desélèvesaugrandpublic........................................ .. 332 6 Perspectives 333 Bibliographie........................................................... .. 333 C. ASPECTS INDUSTRIELS DES NANOTECHNOLOGIES 334 Patrice Hesto, Jean-Michel Lourtioz, Claire Dupas-Haeberlin, Marcel Lahmani et Thomas Dubouchet 1 Le paysage industriel des nanotechnologies en France 335 1.1 Des applications multisectorielles 335 1.2 Quelques secteurs industriels clés 337 1.3 LesacteursindustrielsenFrance............................ .. 340 1.4 Un point particulier sur les start-up 341 1.5 Les risques possibles liés aux nanomatériaux ne peuvent être négligés.. . 342 2 Situation industrielle des nanotechnologies dans le monde 343 2.1 Un marché en forte croissance 343 2.2 Des États fortement impliqués 344 2.3 Les dispositifs et actions en France pour le développement des nanotechnologies........................................ .. 346 3 En guise de conclusion 349 Chapitre 11 UNE APPROCHE SOCIÉTALE EN NANOSCIENCES ET NANOTECHNOLOGIES 351 Françoise Roure 1 Démocratiser l'accès au nanomonde, informer, réglementer: un impératif éthique, légal et sociétal 353 1.1 Informer. 353 1.2 Réglementer 358 2 La portée des ruptures sociétales induites par les nanotechnologies 361 2.1 La manipulation du génome .. '' 361 2.2 Vers le « new green deal »? 364 2.3 Penser l'innovation responsable en amont de l'offre , 366 2.4 Gains potentiels et risques induits des nanotechnologies via la biogénétique .......................................... .. 366 3 La nature systémique des risques induits par les nanotechnologies .. 370 3.1 Les effets 371 3.2 Les conséquences de la nature systémique des risques sur l'évaluation des changements induits par les nanotechnologies 373 4 Les problèmes juridiques soulevés par les applications des nanotechnologies 375 5 La question éthique 377 5.1 Nécessité d'un cadre normatif international applicable aux nanotechnologies 378 5.2 La question du label, ou comment aider le consommateur à choisir en situation d'incertitude et de complexité 378 6 Le rôle essentiel d'une meilleure connaissance des technologies etdesbasesdedonnées........................................... .. 380 7 Le fait religieux, le transhumanisme à la française et la question des finalités. ...................................................... .. 384 7.1 Les systèmes hybrides immersifs, le facteur e de la convergence NBIe et la question de la liberté de penser 386 7.2 Les questions de société issues des usages potentiels des technologies à l'échelle nanométrique ................... .. 388 8 Les prémices fragiles d'une gouvernance mondiale dans le domaine des nanotechnologies ............................................. .. 389 8.1 Un chemin long et encore improbable vers l'action diplomatique 389 8.2 Des intérêts différents qui peuvent se retrouver surdesprérequis harmonisés................................ .. 390 8.3 Qu'ont apporté les relations intergouvernementales à ce stade? 390 8.4 Une impulsion européenne en voie de s'affiner et de s'affirmer 392 Glossaire.................................................................. .. 396 Index 408