Nanosciences et nanothechnologies Évolution ou révolution ?
Ce livre, très illustré, couvre un large spectre des recherches sur les «nanos», allant de la physique et la chimie aux biotechnologies, à la médecine et aux aspects environnementaux et sociétaux. Il présente en parallèle des applications industrielles de grande envergure, existantes ou potentielles, et fait état des premières règlementations en vigueur et de [...] [lire le résumé du livre]
Quel est le sujet du livre "Nanosciences et nanothechnologies"
Ce livre, très illustré, couvre un large spectre des recherches sur les «nanos», allant de la physique et la chimie aux biotechnologies, à la médecine et aux aspects environnementaux et sociétaux.
Il présente en parallèle des applications industrielles de grande envergure, existantes ou potentielles, et fait état des premières règlementations en vigueur et de celles souhaitées par l'opinion publique en matière de santé et d'environnement. Il offre, enfin, une cartographie des centres de recherche et de formation, ainsi que des entreprises oeuvrant dans le domaine en France, et propose une description plus générale des efforts consacrés aux nanotechnologies de par le monde. Des textes courts alternant avec des textes de synthèse rendent la lecture agréable et permettent de faire le lien facile entre les avancées de recherche et les applications qui peuvent en découler.
Cinquième d'une série qui fait désormais autorité dans le domaine des «nanos», le présent ouvrage se démarque des précédents par la vision interdisciplinaire qu'il offre, et par son ouverture à un public plus large. Il vient à point nommé à un moment où de plus en plus d'universités françaises affichent l'ouverture de masters «nano».
Grâce au regard porté sur les vingt dernières années, le lecteur pourra aussi se faire son opinion sur l'aventure des nanosciences et des nanotechnologies : est-ce une simple évolution ou une véritable révolution scientifique ?
Auteurs :
Ouvrage coordonné par Jean-Michel Lourtioz, directeur de Recherche CNRS et vice-président de l'Université Paris-Sud, Marcel Lahmani, vice-président du Club Nano-micro-technologie, Claire Dupas-Haeberlin, professeurs des Universités et directrice honoraire de l'ENS Cachan, et Patrice Hesto, professeur des Universités. Préface de Patrick Couvreur, professeur à l'Université Paris-Sud, Prix Européen de l'Innovation 2013.
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
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