29 notions-clefs : le nanomonde

Auteurs : Henri Van Damme (plus d'infos)
Résumé :
Les nanotechnologies nous promettent monts et merveilles. Quelle que soit la manière de construire un nano-objet ou un assemblage de nano-objets, deux questions se posent : quelles sont les propriétés physiques, chimiques ou mécaniques nouvelles que l’on peut en attendre et quelles sont les lois physiques qui régissent le milieu dans lequel ces nano-objets sont immergés ? Les réponses à ces questions constituent ce qu’on peut appeler les nanosciences, dont ce chapitre donne quelques illustrations. Document issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Copyright :
Publié avec l'aimable autorisation des éditions Le Pommier.

 

Les nanotechnologies nous promettent monts et merveilles. Parmi les choses promises, certaines nous semblent être déjà là, tant leur réalisation paraît inéluctable : des « communicateurs » − mi-téléphones, mi-ordinateurs − capables de se connecter à n’importe qui (s’il le souhaite) ou n’importe quoi (votre voiture ou votre réfrigérateur, la Bibliothèque nationale…) ; des écrans plats et tactiles ou des cellules photovoltaïques solaires aussi minces et enroulables qu’une feuille de papier ; des batteries toujours plus petites à l’autonomie toujours plus longue pour notre vie de nomades ; des textiles autonettoyants et désinfectants ; des vitres transparentes ou opaques sur commande… D’autres promesses paraissent à peine plus lointaines : des minilaboratoires biologiques implantables, capables de suivre en continu la composition sanguine des malades ; des micropompes, elles aussi implantables, bien plus petites que celles nous connaissons actuellement, couplées à ces laboratoires et capables de délivrer le dosage requis de médicament ; des médicaments enveloppés dans des nanocapsules susceptibles de reconnaître les cellules malades et de les traquer, évitant ainsi d’inonder inutilement l’organisme de principe actif et limitant les effets secondaires… D’autres promesses enfin sont réellement futuristes : des moteurs de la taille d’une grosse molécule ; des ordinateurs atomiques ou moléculaires effectuant des calculs grâce à la physique quantique ; des mémoires implantables neuroconnectées, augmentant nos capacités ou redonnant espoir aux malades atteints de maladies neurodégénératives ; des muscles artificiels…
Ces quelques exemples et les nombreux autres que l’on peut voir évoqués dans les magazines ou les livres ont tous un point commun : leur réalisation implique la maîtrise de la matière à des échelles de longueur extrêmement petite, l’échelle ultime dans cette démarche étant celle de l’atome, soit un dixième de nanomètre environ (le nanomètre – nm – est au mètre ce qu’une noisette est à la distance Paris-Pékin). Autrement dit, il s’agit de construire des objets avec des « briques » ou des « pièces détachées » de plus en plus petites et de plus en plus diverses. Comment peut-on s’y prendre ? Deux grandes stratégies sont possibles.

La première est celle suivie jusqu’à présent par le monde de la microélectronique. L’industrie électronique est passée maître dans l’art de sculpter la matière par des techniques de lithogravure. Cet art sert en priorité à réduire la taille des composants électroniques – le plus petit transistor du monde à l’heure actuelle ne doit guère dépasser les 20 nm – et à mettre toujours plus de transistors sur une puce, mais il peut servir aussi à autre chose : en utilisant le même substrat – le silicium –, ces techniques permettent de réaliser des dispositifs étonnants, comme, par exemple, de vrais micromoteurs électriques de quelques dizaines de micromètres, des microchromatographes, sortes de labyrinthes utilisés en analyse chimique pour séparer et identifier les molécules contenues dans un mélange complexe ou des microleviers destinés à des capteurs de force ultraprécis. Les puces à ADN font aussi partie de cette famille. Constituées de damiers de dizaines de milliers de microcupules au fond desquelles sont fixés des brins simples d’ADN test, elles permettent de détecter la présence éventuelle du brin complémentaire à l’un des brins tests dans l’échantillon à analyser.

La démarche évoquée ci-dessus est une démarche qui part du « haut », le monde macroscopique, pour le sculpter et aboutir, « en bas », au monde microscopique. Les Anglo-Saxons la qualifie de top-down. Il en est une autre, qualifiée cette fois de bottom-up car elle part du « bas » pour, par assemblage, aboutir « en haut ». Dans sa version la plus futuriste, elle consiste à assembler des atomes un par un en utilisant les microscopes à pointe inventés par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, invention qui leur valut le prix Nobel en 1986. Ces microscopes permettent de coller un atome sur leur pointe et de l’emmener où on le souhaite. Une telle entreprise permet en principe les constructions les plus complexes, mais au prix d’un travail titanesque.


Vous n’entendrez jamais le son de cette guitare, la plus petite du monde, car ses cordes de 50 nanomètres de diamètre vibrent à des fréquences bien trop élevées pour nos oreilles. L’intérêt de cette prouesse technologique est de montrer la précision et la finesse des dispositifs que les techniques de gravure issues de la microélectronique permettent de fabriquer. Un résonateur de ce type (pas forcément en forme de guitare) permet de mesurer facilement de très petites masses, comme celle d’une seule cellule par exemple.
© D. Carr et H. Craighead, Cornell University

La synthèse chimique est classique de la démarche bottom-up. Nous savons déjà synthétiser des molécules très compliquées, généralement en solution dans de l’eau ou un autre solvant, grâce à notre connaissance des réactions chimiques, mais nous sommes encore des débutants par rapport à la nature. Le monde vivant est peuplé de molécules très complexes dont certaines – les protéines en particulier – sont de véritables machines (moteurs, pompes, courroies transporteuses) ou usines chimiques. Cette machinerie moléculaire naturelle constitue une source d’inspiration extraordinairement riche pour les nanotechnologies.
La technique bottom-up la plus courante est intermédiaire entre les deux précédentes. Elle consiste à synthétiser de très petits morceaux de matière généralement solides − on les appelle « agrégats » ou nanoparticules − puis à les assembler ou, mieux, à les laisser s’organiser spontanément pour obtenir un assemblage plus gros et plus riche de fonctions. Il peut s’agir par exemple de nanocristaux d’or ou de platine de quelques nanomètres, de grains de pigment ou de céramiques de la même taille, de nanobilles de caoutchouc (des latex), de fibres de carbone mille fois plus fines qu’un cheveu, ou encore de mélanges de tout cela.
Quelle que soit la manière de construire un nano-objet ou un assemblage de nano-objets, deux questions se posent : quelles sont les propriétés physiques, chimiques ou mécaniques nouvelles que l’on peut en attendre et quelles sont les lois physiques qui régissent le milieu dans lequel ces nano-objets sont immergés ? Les réponses à ces questions constituent ce qu’on peut appeler les nanosciences, dont ce chapitre donne quelques illustrations.

Un monde agité

S’aventurer dans le monde des nano-objets n’est pas sans risques. Le risque le plus fréquent est de perdre ses repères. Nous avons l’habitude d’être entourés d’un certain nombre d’objets immobiles – ne serait-ce que le sol – et nous-mêmes ne bougeons que si nous actionnons nos muscles. À l’échelle du nanomètre, il n’en va plus de même. Le monde des molécules est un monde en perpétuelle agitation. C’est cette agitation que mesure la température : celle-ci est d’autant plus élevée que la vitesse d’agitation est rapide. Cette agitation dépend aussi de l’état – solide, liquide ou gazeux – de la matière. C’est dans les gaz que les mouvements sont les plus amples. Dans de la vapeur d’eau à température ambiante, par exemple, les molécules n’ont pas de positions définies. Elles filent à plusieurs centaines de mètres par seconde dans toutes les directions et parcourent des distances de plusieurs nanomètres en moyenne avant d’entrer en collision avec une autre molécule ou avec la paroi du récipient. Dans la glace, au contraire, les molécules d’eau se contentent de vibrer autour de positions moyennes bien définies. L’ampleur des mouvements est incomparablement plus faible que dans la vapeur mais, même au zéro absolu, cette agitation subsiste. Dans l’eau liquide, la situation est intermédiaire. Les molécules filent comme dans la vapeur, mais le milieu est beaucoup plus encombré. Chaque molécule est donc emprisonnée dans une sorte de cage formée par ses voisines, de sorte que, la plupart du temps, les molécules font des allers-retours entre les parois opposées de cette cage. Cela ressemble à une vibration, mais n’en est pas vraiment une.
Imaginons-nous en train de plonger dans ce monde agité. Nous sommes frappés en permanence par des molécules allant dans toutes les directions. Si le nombre et l’intensité des chocs (la température) étaient exactement les mêmes dans toutes les directions, nous serions certes « caillassés », mais nous n’aurions pas tendance à bouger. Mais cette situation est très peu probable. La situation la plus fréquente est celle d’un certain déséquilibre, par exemple tantôt en faveur des molécules venant de gauche, puis en faveur des molécules venant du bas. Il y a donc à chaque instant une force résultante qui nous pousse dans une certaine direction, éminemment fluctuante au cours du temps. En serons-nous affectés ? Tout va dépendre de notre masse et de la violence des chocs. Si nous sommes très gros et entourés de molécules d’eau pas trop agitées, nous resterons quasi insensibles, comme un éléphant entouré de moustiques. Mais que la virulence des moustiques (la température) augmente et que nous soyons un peu plus petits, et nous nous retrouverions alors ballottés dans toutes les directions. En pratique, dans un liquide comme l’eau par exemple, c’est aux alentours du micromètre (μm) que l’on devient sensible à l’agitation thermique. C’est le botaniste anglais Robert Brown qui, le premier, a détecté ce mouvement erratique en observant au microscope des grains de pollen dans de l’eau, et ce sont Albert Einstein puis Jean Perrin qui en ont écrit la théorie mathématique et effectué l’étude expérimentale détaillée. Une bonne encre et une bonne peinture sont constituées de particules de pigment suffisamment petites pour que, malgré une densité généralement plus forte que celle de l’eau, elles ne sédimentent jamais, étant sans cesse renvoyées dans toutes les directions.
L’agitation thermique est un sérieux handicap pour fabriquer ou étudier un nano-objet – atome, molécule ou machine moléculaire – car, à cause de cette agitation, il ne tient pas en place. Les physiciens qui ont construit de tels objets en déplaçant des atomes sur la surface d’un solide (donc constituée d’atomes en vibration) ont dû prendre la précaution de refroidir fortement ladite surface, sous peine de voir leur édifice se désagréger à mesure qu’ils le construisaient. Mais l’agitation thermique n’a pas que des inconvénients : c’est aussi une manière maligne de se déplacer, pas très efficace si on se laisse ballotter dans toutes les directions au gré des chocs (c’est ce qu’on appelle plus savamment une « marche au hasard »), mais bien plus si on y met un peu d’astuce. Certaines protéines, véritables machines moléculaires du monde vivant, sont très fortes à ce « jeu ». Ainsi de la protéine nommée « kinésine », qui transporte de nombreux composés synthétisés au sein de la cellule d’un endroit à un autre en se déplaçant sur un « rail » qui n’est lui-même qu’un assemblage filamentaire d’une autre protéine. Pour comprendre comment ces molécules arrivent à dompter l’agitation thermique pour aller dans une direction bien précise, considérons le cas simple du mouvement d’un petit objet sur un seul axe (un rail) selon deux directions possibles, gauche et droite. Imaginons que ce rail ne soit pas plat mais possède un profil en dents de scie avec, comme les vraies scies à bois, des dents asymétriques, en pente raide d’un côté et douce de l’autre. Même si le nombre et la violence des chocs sont en moyenne les mêmes selon les deux directions, notre petit objet aura bien plus de chances de franchir les dents dans la direction où les pentes sont douces. C’est le principe de tous les mécanismes à cliquet, en horlogerie comme dans le monde vivant ! Un système artificiel de « mouvement sans force » de ce type a été imaginé et réalisé en laboratoire par Laurence Gorre-Talini et Jacques Prost. Leur mobile n’était pas une protéine mais une petite bille de latex de quelques centaines de nanomètres de diamètre.

Un monde exposé

Tous ceux qui ont participé à une manifestation un peu agitée le savent : ce sont ceux qui sont en première ligne qui prennent les coups ! Transposée dans le nanomonde, cette constatation signifie que, de tous les atomes qui constituent un nano-objet, ce sont ceux qui font partie de la première couche atomique de l’objet – de sa « peau » en quelque sorte – qui ressentent les premiers et le plus fortement les chocs des molécules environnantes. Ceux qui sont calfeutrés au coeur de l’objet sont dans une situation incomparablement plus confortable. Certes, ils sont ballottés comme les autres, car c’est tout l’objet qui reçoit le choc, mais ils ne sont pas au contact direct du projectile. être en deuxième ligne – dans la deuxième couche atomique, « sous » la surface – constitue déjà un progrès notable en matière de confort.
Les atomes de la première couche sont non seulement les plus exposés, mais ce sont aussi les plus vulnérables. Non seulement ce sont eux qui reçoivent les coups, mais ce sont eux également qui les encaissent le moins bien. Pourquoi ? Tout simplement parce que ce sont eux qui sont le moins bien entourés par leurs voisins. Un atome du coeur de l’objet a un voisin à gauche et un autre à droite, un voisin devant et un autre derrière, un voisin en dessous et un autre au-dessus. Chacun de ces voisins établit une liaison chimique avec l’atome considéré. Celui-ci est donc fermement retenu dans sa position d’équilibre. Même si l’énergie thermique le fait vibrer, grâce à l’allongement momentané d’une liaison et au raccourcissement de celle qui lui fait face, sa position moyenne est bien définie et bien centrée.
Un atome de surface, lui, est dans une situation moins équilibrée. Il lui manque au moins un voisin, donc une liaison. Ceci affecte ses vibrations, qui sont plus amples, en particulier dans la direction du voisin manquant, perpendiculairement à la surface. Cela affecte aussi son comportement chimique. Son « état de manque », en termes de liaisons chimiques, le rend plus réactif. Il tentera d’établir une liaison avec tout ce qui passe à portée de main, en particulier avec les molécules de l’environnement qui viennent frapper la surface du nano-objet. Dans un certain nombre de cas, la molécule qui frappe la surface aura assez d’énergie pour ne pas rester liée. Elle rebondira simplement. Dans d’autres cas, elle se fera piéger, au moins temporairement, par un atome de surface avide de rétablir la liaison qui lui manque. Cette liaison temporaire entre un atome ou une molécule de l’environnement et un atome de surface du nano-objet est ce qu’on appelle l’adsorption. Selon l’intensité de la liaison qui s’établit, on parle d’adsorption physique (faible) ou d’adsorption chimique (forte). Dans certains cas, l’interaction est tellement forte qu’elle aboutit à la rupture de la molécule qui s’adsorbe, en deux ou plusieurs fragments. C’est par exemple le cas lorsqu’une molécule gazeuse d’hydrogène (plus exactement, de dihydrogène, H2) vient frapper la surface d’un morceau de nickel. L’interaction des deux atomes d’hydrogène de cette molécule avec deux atomes de nickel voisins de la surface du solide aboutit à sa dissociation. La liaison H-H se rompt et chacun des deux atomes d’hydrogène se lie à un atome de nickel. Il se forme ainsi deux liaisons Ni-H. Ces liaisons sont temporaires car, une fois adsorbés, les atomes d’hydrogène peuvent « sauter » sur un autre atome de nickel voisin, encore en état de manque. Les espèces chimiques adsorbées sont donc mobiles et lorsque deux atomes d’hydrogène se rencontrent au cours de leur marche au hasard sur la surface, ils peuvent se recombiner pour former une molécule d’hydrogène qui retournera dans l’environnement gazeux.

Ces phénomènes d’adsorption constituent la base de la catalyse hétérogène, sans laquelle des pans essentiels de l’industrie chimique ne pourraient fonctionner. Une molécule adsorbée n’est pas tout à fait dans le même état énergétique qu’une molécule libre. C’est en particulier vrai pour les molécules ou les associations de molécules qui sont dans ce que l’on appelle « l’état de transition ». Lorsqu’une molécule A se transforme en une molécule B, elle passe en général par un état intermédiaire A* d’énergie très élevée. Pour se transformer, A doit donc franchir en quelque sorte un « col » énergétique et c’est la difficulté à atteindre ce col qui limite la vitesse de la réaction chimique. Lorsque la réaction se produit sur la surface d’un solide à laquelle A, A* et, éventuellement, B peuvent se lier temporairement, l’énergie nécessaire pour atteindre l’état A* (l’altitude du col) est fortement diminuée, ce qui accélère d’autant la réaction. Ce qui est vrai pour une réaction simple du type A → B est vrai également pour des réactions plus complexes comme A + B → C + D.
Les catalyseurs les plus fréquents sont des métaux, des oxydes ou des sulfures. Un exemple très répandu et très utile est celui des pots d’échappement catalytiques. Ceux-ci contiennent une petite quantité d’un métal précieux, le platine, capable de transformer certains poisons issus de la combustion du carburant, comme le monoxyde de carbone, CO, ou l’oxyde d’azote, NO, en composés inoffensifs, comme le dioxyde de carbone, CO2, et l’azote, N2 (certes, le dioxyde de carbone est l’agent principal de l’effet de serre mais, au moins, il n’empoisonne pas le sang comme le monoxyde). Ce platine n’est pas présent sous forme de bague ou de pendentif, mais sous forme de nano-particules tapissant les parois d’un bloc de céramique très poreux. Pourquoi ? Pour le comprendre, il suffit de se rappeler que ce sont les atomes de platine de surface qui font le travail et de se livrer à un petit calcul. Prenons un cube de platine d’un centimètre de côté. Le diamètre d’un atome de platine est d’environ 0,2 nanomètre, soit 2 × 10-10 mètre. Un côté du cube (1 cm = 10-2 mètre) correspond donc à environ 5 × 107, soit cinquante millions d’atomes. Le cube contient au total (5 × 107)3 soit 125 × 1021 atomes. Combien d’entre eux se situent-ils « en première ligne », c’est-à-dire à la surface du cube, prêts à aider la réaction chimique ? Pour le calculer, il suffit de compter le nombre d’atomes sur une face du cube – soit (5 × 107)2 = 25 × 1014 – et de multiplier ce nombre par 6. On aboutit à 150 × 1014, un nombre faramineux, mais encore bien plus petit que le nombre total d’atomes dans le cube. En comparant les deux nombres, on s’aperçoit que seul environ un atome de platine sur dix millions est en surface et utile à la réaction chimique.
Comment améliorer cette situation ? Il ne faut pas réfléchir longtemps pour se rendre compte qu’il suffit de couper le cube en petits morceaux. Chaque fois que nous le coupons, nous exposons de nouveaux atomes en surface de chaque côté de la coupure. Si l’on pouvait couper le cube en petits cubes ne contenant chacun qu’un seul atome, tous les atomes de platine seraient des atomes « de surface » ! Un tel état de division n’est pas très réaliste, mais les chimistes de la catalyse sont passés maîtres dans l’art de préparer les métaux et d’autres catalyseurs sous forme de nano-particules dont la taille est voisine du nanomètre. Un calcul analogue à celui que nous avons fait, pour un cube d’un nanomètre de côté, montre que dans cet état de division, ce sont quatre atomes de platine sur cinq qui sont en surface ! (Notons que pour faire correctement ce calcul avec de si petits cubes, il faut tenir compte du fait que, dans la méthode utilisée pour le cube d’un centimètre, nous avons compté deux fois les atomes des arrêtes et trois fois ceux des sommets. Avec de gros cubes, ceci n’introduit qu’une erreur négligeable, mais avec des cubes d’un nanomètre, il faut en tenir compte.)
Quelle aire cela représente-t-il ? Un morceau de matière sous forme d’un seul cube d’un centimètre de côté offre 6 cm2 de contact avec son environnement. Divisée en cubes d’un nanomètre de côté, cette même quantité de matière exposerait 6000 m2 : pas loin d’un hectare ! C’est une aire de platine de cet ordre de grandeur que lèchent les gaz dans votre pot d’échappement. C’est la raison pour laquelle cela marche ! La matière divisée sous forme de nano-objets n’est donc plus vraiment une matière volumique. C’est de la poussière d’atomes...

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