Les nanotechnologies : l'ingénierie à l'échelle des atomes

Le soir du 29 décembre 1959, lors du dîner annuel de l'American Physical Society à Caltech, à Pasadena, Richard Feynman se tint debout au pupitre et déclara à une salle remplie de physiciens qu'il y avait beaucoup de place tout en bas. Il parlait du bas de l'échelle des dimensions, le royaume des atomes et des molécules, et il consacra son discours d'après-dîner à soutenir que rien dans les lois de la physique ne nous interdisait de construire des machines, des outils et une écriture si minuscules que l'Encyclopaedia Britannica tout entière pourrait tenir sur une tête d'épingle. Pour donner du mordant à son propos, il offrit deux prix de mille dollars chacun, l'un pour le premier moteur électrique fonctionnel plus petit qu'un soixante-quatrième de pouce, l'autre pour quiconque parviendrait à écrire une page de texte réduite d'un facteur de vingt-cinq mille. Le prix du moteur fut remporté en moins d'un an par un ingénieur qui y parvint avec des outils ordinaires et de la patience. La page miniaturisée prit plus de temps.

La conférence, intitulée There's Plenty of Room at the Bottom, n'aurait même pas eu de domaine auquel se rattacher avant une décennie, car le mot « nanotechnologie » n'avait pas encore été inventé. Mais on s'en souvient à juste titre comme du texte fondateur de la discipline, le moment où quelqu'un aux références irréprochables affirma à voix haute que le très petit n'était pas seulement plus petit, il était différent, et que cette différence valait la peine d'être poursuivie. Cet article parle de ce qui se passe lorsqu'on prend Feynman au sérieux et qu'on se met réellement à construire des choses à cette échelle, et explique pourquoi la matière, quand on la réduit suffisamment, cesse de se comporter comme une version miniature d'elle-même et commence à se comporter comme quelque chose de véritablement nouveau.

La fenêtre entre un et cent nanomètres

Un nanomètre est un milliardième de mètre, à peu près la largeur de trois ou quatre atomes alignés. Un nanomatériau se définit comme toute structure dont au moins une dimension se situe entre environ 1 et 100 nanomètres. Ce « au moins une dimension » a son importance, car cela signifie qu'une feuille peut être un nanomatériau tout en s'étalant sur toute une lame de microscope dans ses deux autres directions, pour peu qu'elle ne fasse qu'un ou deux atomes d'épaisseur.

Ce qui rend cette fenêtre si particulière, c'est que deux effets physiques, tous deux négligeables dans la matière ordinaire en masse, y deviennent décisifs. Le premier est géométrique. À mesure que l'on rétrécit un objet, la proportion de ses atomes situés en surface plutôt qu'enfouis à l'intérieur grimpe en flèche, si bien que le rapport surface/volume augmente de façon spectaculaire. Un caillou a presque tous ses atomes solidement enfermés à l'intérieur ; une nanoparticule de la même substance peut avoir une large part de ses atomes exposés en surface, où ils sont bien plus réactifs chimiquement. Le second effet est de nature quantique. Les électrons à l'intérieur d'un solide ne sont pas des particules ponctuelles qui s'entrechoquent comme des billes, ils se comportent comme des ondes dotées d'une longueur d'onde caractéristique. Lorsque la structure qui confine un électron devient plus petite que cette longueur d'onde naturelle, l'électron ne peut plus être traité comme un citoyen libre de la masse ; ses énergies permises se trouvent comprimées et quantifiées, un phénomène que l'on appelle confinement quantique. La fenêtre de 1 à 100 nanomètres est précisément la plage où ces deux effets, la domination de la surface et le confinement quantique, commencent à réécrire la personnalité optique, électrique et chimique d'un matériau.

Quatre formes taillées dans le carbone et le cristal

Le domaine moderne s'organise, fort commodément, autour de quatre structures canoniques, et une façon nette de ne pas les confondre consiste à compter combien de leurs dimensions sont confinées à l'échelle nanométrique. Un fullerène est une minuscule cage confinée dans les trois directions, il n'a donc aucune dimension « libre ». Un nanotube de carbone est confiné dans deux directions mais libre de courir sur de grandes longueurs le long de son axe, il est donc effectivement unidimensionnel. Le graphène est une simple feuille plane, confinée seulement dans son épaisseur, ce qui laisse deux dimensions libres. Une boîte quantique, comme le fullerène, est un point confiné dans les trois directions et donc de dimension zéro. Trois de ces quatre structures sont entièrement faites de carbone, ce qui n'est pas un hasard : la propension du carbone à se lier à lui-même selon des arrangements hexagonaux plats lui confère une polyvalence qu'aucun autre élément n'égale. La quatrième, la boîte quantique, provient du monde des cristaux semi-conducteurs. Ensemble, elles forment le vocabulaire de travail de la nanoscience, et chacune est arrivée avec sa propre histoire de découverte.

Le ballon de football et la feuille enroulée

En septembre 1985, à l'université Rice de Houston, Harold Kroto, Richard Smalley et Robert Curl vaporisaient du graphite au laser et étudiaient les agrégats de carbone qui se condensaient à partir du panache. Un agrégat, fait d'exactement soixante atomes de carbone, ne cessait d'apparaître avec une stabilité suspecte. La structure qu'ils proposèrent pour l'expliquer était une cage close de douze pentagones et vingt hexagones, la forme d'un ballon de football, géométriquement un icosaèdre tronqué. Ils la baptisèrent buckminsterfullerène en l'honneur de Buckminster Fuller, l'architecte du dôme géodésique, dont les bâtiments rappelaient cette molécule. La découverte de cette troisième forme stable du carbone pur, aux côtés du diamant et du graphite, valut aux trois chercheurs le prix Nobel de chimie en 1996.

Six ans après le fullerène, en 1991, Sumio Iijima, au laboratoire de recherche fondamentale de NEC à Tsukuba, au Japon, examinait au microscope électronique en transmission de la suie laissée par une décharge d'arc électrique. Enchevêtrées dans la suie, il trouva des aiguilles, des cylindres creux qui ressemblaient exactement à des feuilles de carbone enroulées en tubes, emboîtés les uns dans les autres comme les cernes d'un arbre. Il publia ces nanotubes de carbone multiparois dans Nature le 7 novembre 1991, et les versions monoparoi suivirent en 1993. Un nanotube de carbone est, par essence, une feuille de graphène enroulée en un cylindre sans soudure, et il en résulte l'un des matériaux les plus résistants que l'on connaisse, avec des résistances à la traction mesurées supérieures à 60 gigapascals, bien au-delà des meilleurs aciers. La même liaison carbone-carbone qui rend le diamant dur rend le nanotube, quand on le tire dans le sens de la longueur, presque incassable.

Un seul atome d'épaisseur, décollé au ruban adhésif

La feuille à partir de laquelle le nanotube s'enroule a sa propre histoire célèbre, et c'est une histoire merveilleusement rudimentaire. Pendant des décennies, les physiciens supposèrent qu'un cristal véritablement bidimensionnel, d'un seul atome d'épaisseur, serait thermodynamiquement instable et ne pourrait tout simplement pas exister comme objet autonome. En 2004, Andre Geim et Konstantin Novoselov, à l'université de Manchester, prouvèrent le contraire au moyen d'une méthode si simple qu'elle ressemble à une blague. Ils pressèrent un ruban adhésif ordinaire sur un bloc de graphite, le décollèrent en emportant un mince éclat, replièrent le ruban sur lui-même et le rouvrirent, et répétèrent ce clivage jusqu'à ce que le résidu laissé sur le ruban soit, par endroits, une seule couche d'atomes de carbone. En transférant les éclats les plus fins sur une plaquette de silicium oxydée, ils purent repérer et étudier les monocouches. C'est le graphène, un nid d'abeilles plat de carbone d'un atome d'épaisseur, et il s'avère extraordinaire : exceptionnellement résistant, excellent conducteur de la chaleur et de l'électricité, et presque transparent. Leur article, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, parut dans Science le 22 octobre 2004, et les deux hommes partagèrent le prix Nobel de physique en 2010. La leçon fut à la fois humble et exaltante : un matériau digne d'un Nobel se cachait dans chaque trait de crayon jamais tracé, attendant que quelqu'un le décolle assez finement.

Une couleur que l'on peut accorder par la seule taille

La boîte quantique est l'endroit où le confinement quantique se montre le plus spectaculairement, parce qu'on peut le voir de ses propres yeux. Une boîte quantique est un nanocristal semi-conducteur assez petit pour que le confinement décale sa bande interdite, le saut d'énergie que doit franchir un électron pour absorber ou émettre de la lumière. Rendez le cristal un peu plus petit et vous élargissez cet écart, ce qui pousse la lumière émise vers l'extrémité bleue du spectre ; laissez-le grandir un peu et l'écart se resserre, faisant glisser la couleur vers le rouge. La conséquence saisissante est que deux boîtes de composition chimique identique peuvent briller de couleurs différentes uniquement à cause de leur taille, une propriété qu'aucun matériau en masse ne possède. Un bocal de séléniure de cadmium en masse n'est qu'une poudre sombre, mais sous forme de nanocristaux le même composé peut fluorescer dans toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

La découverte se fit par étapes. Alexeï Ekimov observa l'effet dépendant de la taille dans des cristaux de chlorure de cuivre enchâssés dans du verre en 1981, alors qu'il travaillait en Union soviétique. Louis Brus, aux laboratoires Bell, mit en évidence la même physique pour des particules de sulfure de cadmium en suspension dans un liquide en 1983, prouvant qu'il ne s'agissait pas d'une bizarrerie du verre. Et Moungi Bawendi, en 1993, mit au point la synthèse qui produisit enfin des lots de boîtes assez uniformes pour être utiles, des cristaux monodispersés tous très voisins en taille. Les trois chercheurs partagèrent le prix Nobel de chimie en 2023, un rappel que certaines de ces histoires mettent quarante ans à mûrir. Les boîtes quantiques illuminent aujourd'hui les écrans de télévision les plus éclatants et marquent des molécules individuelles dans l'imagerie biologique.

Pourquoi être surtout de la surface change tout

Ce serait une erreur de voir les nanomatériaux comme de simples petites mottes de matière ordinaire. Le rapport surface/volume élevé fait qu'une large part de leurs atomes vivent en surface, et les atomes de surface sont agités : ils ont des liaisons insatisfaites, ils sont catalytiquement actifs, chimiquement réactifs et souvent optiquement distinctifs d'une manière que l'intérieur n'est pas. Cet avantage géométrique œuvre discrètement dans des dizaines de produits. Les nanoparticules de dioxyde de titane des crèmes solaires diffusent et absorbent le rayonnement ultraviolet tout en restant transparentes plutôt que de laisser une traînée blanche. Les nanoparticules d'argent, dotées de tant de surface réactive, libèrent des ions qui en font de puissants revêtements antimicrobiens. Les nanoparticules de platine dispersées sur le nid d'abeilles d'un pot catalytique automobile exposent une surface catalytique énorme à partir d'une masse de métal minuscule et coûteuse, convertissant les gaz d'échappement bien plus efficacement qu'un bloc plein de platine ne pourrait jamais le faire.

La même logique alimente l'une des applications les plus lourdes de conséquences, la nanomédecine, qui recourt à des vecteurs nanométriques tels que les nanoparticules lipidiques, les micelles polymériques et les nanocoques d'or pour délivrer des médicaments de façon plus sélective qu'une pilule en masse avalée d'un trait. Un médicament dissous dans le sang va partout ; un médicament empaqueté à l'intérieur d'une nanoparticule peut être dirigé, protégé et libéré là où il est nécessaire. Le plus vaste déploiement clinique de cette idée à ce jour, ce sont les vaccins à ARNm contre la COVID-19 de Pfizer-BioNTech et de Moderna, tous deux autorisés en décembre 2020, dans lesquels de fragiles brins d'ARN messager sont enveloppés dans des nanoparticules lipidiques qui les protègent et les acheminent jusque dans les cellules. Des milliards de doses plus tard, la nanomédecine a été éprouvée à une échelle que Feynman pouvait à peine imaginer.

Les dangers que nous apprenons encore à mesurer

Tout cela a un côté plus grave. Les nanomatériaux sont désormais produits industriellement à raison de milliers de tonnes par an, et les cadres toxicologiques et réglementaires ont pris du retard sur la chimie. La réactivité même qui rend une nanoparticule utile peut aussi la rendre biologiquement agressive, et une particule assez petite pour se glisser dans les cellules et franchir des membranes qui arrêteraient un grain plus gros exige une étude soigneuse. L'inquiétude prudente qui demeure est l'analogie avec l'amiante : des fibres longues, fines et durables, qu'il s'agisse d'amiante ou de certains nanotubes à fort rapport de forme, peuvent se loger dans le tissu pulmonaire et résister à l'élimination, et ce parallèle est pris assez au sérieux pour que les chercheurs le testent délibérément. Les régulateurs ont commencé à rattraper leur retard. L'Union européenne a publié une recommandation de la Commission en 2011 définissant un nanomatériau à des fins réglementaires, et la Food and Drug Administration américaine publie des recommandations sur les nanotechnologies depuis 2014. La position honnête, c'est que nous menons une vaste expérience en parallèle de la rédaction de ses règles, et qu'une humilité intellectuelle quant aux effets à long terme est de mise.

À retenir

Un nanomatériau est toute structure mesurant entre environ 1 et 100 nanomètres dans au moins une dimension, une fenêtre où deux effets qui s'évanouissent dans la matière en masse prennent le dessus : une montée abrupte du rapport surface/volume, qui place une large part des atomes à la surface réactive, et le confinement quantique, qui quantifie les énergies des électrons dès que la structure devient plus petite que la longueur d'onde naturelle de l'électron. La conférence de Richard Feynman de décembre 1959, There's Plenty of Room at the Bottom, a ouvert le domaine, et quatre structures canoniques l'ancrent, correspondant respectivement à zéro, une, deux et zéro dimensions confinées : le fullerène C60 (Kroto, Smalley et Curl, 1985, Nobel 1996), le nanotube de carbone (Iijima, 1991, avec des résistances à la traction supérieures à 60 gigapascals), le graphène (Geim et Novoselov, 2004, isolé au ruban adhésif, Nobel 2010) et la boîte quantique (Ekimov, Brus et Bawendi, travaux de 1981 à 1993, Nobel 2023), dont la couleur dépend de la seule taille. Ces principes sous-tendent une technologie bien réelle, des crèmes solaires au dioxyde de titane et des pots catalytiques au platine jusqu'aux vaccins à ARNm sur nanoparticules lipidiques de 2020, alors même que la toxicologie et la réglementation, avec l'analogie de l'amiante comme préoccupation directrice, courent pour rattraper une chimie déjà fabriquée par milliers de tonnes.