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A la conquête du nanomonde

Lancée il y a 20 ans avec l’invention des microscopes à effet tunnel et des nanotubes, la conquête du monde de l’infiniment petit a connu ces dernières années une accélération fulgurante. Le Japon, les États-Unis et maintenant l’Europe investissent des sommes considérables dans les nanosciences, pour construire, par exemple, une nouvelle génération d’ordinateurs surpuissants.

Nanotubes de carboneCes deux nanotubes de carbone se croisent pour lier éléctriquement quatre électrodes en or. Quand la miniaturisation des composants électroniques atteindra des limites proches de l'échelle des atomes, et il faudra repenser leur architecture. La solution passera peut-être par les nanotubes de carbone.
© A.Bachtold, Bo Gao, C.Glattli/CNRS Photothèque

Depuis peu, dans la dénomination des disciplines scientifiques, le préfixe nano est devenu presque aussi prestigieux que neuro, cyber ou astro. Cela fait pourtant plus de quarante ans que physiciens, chimistes et biologistes étudient le comportement de la matière à l’échelle du nanomètre (un milliardième de mètre), l’échelle à laquelle évoluent atomes et molécules.

Mais si les nanosciences sont longtemps restées un bon sujet de science-fiction, elles ont connu un essor considérable dès les années 80 à la suite de deux avancées fondamentales. L’invention du microscope à effet tunnel a d’abord permis aux chercheurs d’observer et de modifier le monde atomique en le "palpant" à l’aide d’une pointe de lecture. Ensuite, la découverte de nanomatériaux comme les fullerènes et les nanotubes de carbone - une nouvelle classe de molécules de carbone aux propriétés électriques et structurales remarquables - a poussé chercheurs et ingénieurs à découvrir des procédés de fabrication et de tri adaptés à l’échelle atomique.

"Le défi des nanosciences consiste à découvrir les composants moléculaires de demain, mais aussi à trouver les techniques physico-chimiques qui permettront de les assembler avec une précision nanométrique", explique Jean-Claude Mialocq, membre du comité de pilotage de C Nano, le réseau de compétence en nanoscience d’Ile-de-France. Pressée par la loi de Moore, qui prédit que le nombre de transistors par unité de surface de silicium double tous les 18 mois, l’industrie électronique a été la première à faire appel aux nanosciences. En effet, la taille des composants électroniques actuels se rapproche maintenant de celle de simples atomes et les fabricants de puces doivent déjà prendre en compte des phénomènes propres à l’échelle nanométrique. Et alors qu’on commence à peine à maîtriser la fabrication de transistors à nanotubes, de diodes et d’interrupteurs moléculaires, certains envisagent déjà le développement d’ordinateurs dont les composants électroniques seront des atomes ou des molécules individuels.

01.Des nanosciences aux nanotechnologies

C’est en 1959 que le prix Nobel de physique Richard Feynman a exposé pour la première fois la démarche des nanosciences. Dans un discours intitulé "There’s plenty of room at the bottom" (Il reste plein de place en bas), le physicien proposait de construire des machines à l’échelle 1/10e afin de leur faire fabriquer des outils qui permettraient, à leur tour, de fabriquer d’autres machines réduites à l’échelle 1/100e ; et ainsi de suite jusqu’à obtenir des machines capables de manipuler et d’assembler individuellement atomes et molécules. Selon Feynman, rien n’interdisait une telle réduction d’échelle, mais il rappelait qu’en dessous d’une certaine taille, les machines n’obéiraient plus exactement aux mêmes lois physiques et ne seraient plus soumises aux mêmes types de forces mécaniques : par exemple, à l’échelle atomique, l’effet de la gravité est presque négligeable : ce sont les forces de van der Waals qui maintiennent habituellement la cohésion des molécules dans les liquides, qui deviennent prépondérantes.

Microscope à effet tunnelCe microscope à effet tunnel appartient au Centre d'étude du CEA de Grenoble. Il permet d'observer des nanostructures.
© CEA / CEA
Le physicien définissait ainsi un tout nouveau champ d’études scientifiques, les nanosciences, entièrement consacré à la compréhension des phénomènes physiques propre à l’échelle nanométrique. À partir des années 1970, Karl Eric Drexler, élève de Feynman, développe cette intuition et regroupe sous le terme de nanotechnologies l’ensemble des techniques visant à produire, modifier ou manipuler des objets et des matériaux dans un espace dont les dimensions sont inférieures à 100 nanomètres (100 milliardièmes de mètre), la taille approximative d’une grosse molécule.

Il faudra attendre 1981 et l’invention du microscope à effet tunnel (STM) par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer du Zurich Lab d’IBM en Suisse pour que la manipulation directe des atomes et des molécules devienne une réalité. Le STM « voit » la forme des atomes en balayant leur surface à l’aide d’une pointe de lecture ultrafine (en tungstène ou en platine). En épousant les contours des nuages électroniques, le tracé des mouvements verticaux de la sonde permet de visualiser des détails structuraux avec une résolution de 0,2 nanomètres. La mise au point du STM vaudra à ses inventeurs le prix Nobel de physique en 1986.

Très vite, on remarqua que certains clichés étaient systématiquement rayés. On découvrit alors que la pointe de lecture du microscope pouvait déplacer une rangée d’atomes dans le cristal. De fait, lorsqu’on applique une tension électrique sur la pointe du STM, celle-ci se comporte comme une pipette capable de saisir des atomes ou des molécules individuelles ; et lorsqu’on inverse la tension, la pointe dépose l’atome (ou la molécule) là où on le souhaite. Bref, le STM fournissait un moyen de déplacer un à un atomes et molécules. Les nanotechnologies quittaient alors le domaine de la science-fiction pour devenir un véritable programme de recherche et développement. En 1990, à l’aide d’un STM, Donald Eigler et Erhard Schweizer sont ainsi parvenus à déplacer un à un 35 atomes de xénon et dessiner les initiales d’IBM.

02.Des fullerènes aux nanotubes

Pendant que les physiciens fournissaient aux nanosciences leur première machine-outil, le STM, des chimistes découvraient de nouveaux matériaux pour le monde nanoscopique. Les plus emblématiques de ces nanomatériaux sont les fullerènes et les nanotubes de carbone. Les fullerènes sont de grosses molécules cristallines composées de carbone (comme le diamant et le graphite) qui peuvent prendre la forme d'une sphère, d'un tube ou d'un anneau. Leur structure constituée d’hexagones et de pentagones dont chaque sommet est un atome de carbone leur confère une très grande stabilité. Découverte en 1985, la molécule C60 vaudra le prix Nobel de chimie à Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley en 1996. Sa forme rappelle celle d’un ballon de football à 32 faces (20 hexagones, 12 pentagones) Les chercheurs la baptiseront buckminsterfullerène en l’honneur de Buckminster Fuller qui inventa le concept architectural des dômes géodésiques en 1947.

Nanotubes de carboneImage de nanotubes de carbone observés au microscope éléctronique.
© David Luxembourg/CNRS Photothèque / Hélène Gaucher
Dès 1991, on découvre les nanotubes, qui sont constitués d’un ou plusieurs feuillets de carbone enroulés sur eux-mêmes. Les nanotubes ont un diamètre compris entre 1 et 10 nanomètres pour une longueur de l’ordre du millimètre. La structure en feuillet confère aux nanotubes des propriétés physiques, chimiques et électriques exceptionnelles. Des simulations informatiques montrent qu’une fibre de nanotube serait 200 fois plus résistante qu’une fibre en acier de diamètre équivalent, pour un poids six fois moindre. Par ailleurs, on s’est aperçu que les nanotubes sont supraconducteurs à basse température, mais qu’ils possèdent aussi des propriétés semi-conductrices à température ambiante : ils peuvent donc être isolants ou conducteurs en fonction du champ électrique dans lequel ils se trouvent. Ils pourraient ainsi remplacer un jour les diodes et les transistors traditionnels, éléments de base des circuits électroniques.

Bien que très prometteurs, les nanotubes de carbones n’en demeurent pas moins difficiles à produire. Au départ, les procédés de fabrication à très haute température ne permettaient pas d'obtenir de grandes quantités de nanotubes exploitables ; en effet, les nanotubes avaient tendance à fondre partiellement et à former une pelote inextricable, ce qui les rendait inutilisables comme fibre ou comme matériau électronique. A partir de 1992, la découverte de nouvelles techniques de synthèse à plus faible température, comme l'adjonction de métaux catalyseurs durant la réaction, ou l'évaporation au laser, ont peu à peu permis de produire des nanotubes individualisables, voire alignés. Il est alors devenu envisageable de s’en servir comme fibres ou comme nanocomposant électronique.

03.La relève de l'électronique

La première industrie à s’intéresser sérieusement aux nanosciences a été l’électronique. En effet, pour augmenter la puissance des puces électroniques, l’industrie électronique doit réduire la taille des éléments qu’elles contiennent. Ainsi, alors que le premier processeur d’Intel intégrait 2 300 transistors en 1971, un Pentium IV en compte près de 50 000 fois plus. Dans les laboratoires du LETI, au CEA Grenoble, ingénieurs et chercheurs mettent au point de nouveaux procédés de gravure sur silicium qui permettront un jour d’obtenir une finesse de gravure (la largeur des lignes dessinées sur les puces) de l’ordre de 10 nanomètres, contre 65 aujourd’hui. Mais cette course à la miniaturisation, source d’économie et de gain de performance, bute désormais sur les problèmes inédits posés par l’échelle nanométrique.

Presse pour nano impressionPresse pour nano impression de puces électroniques.
© Emmanuel Perrin/CNRS / Emmanuel Perrin
En se rapprochant de l’échelle de l’atome, les puces au silicium vont bientôt atteindre les limites physiques ultimes de l’électronique "conventionnelle". En dessous d’une certaine taille, les composants électroniques adoptent en effet un comportement inattendu, soumis aux lois de la mécanique quantique. Le flux des électrons perturbe alors le bon fonctionnement des composants. La prochaine étape de la miniaturisation consistera donc à remplacer peu à peu les micro-composants électroniques par des homologues moléculaires comme les nanotubes de carbone. Comme le rappelle Jean-Philippe Bourgoin, chef du Laboratoire d’électronique moléculaire et quantique (LEM) du CEA Saclay, "dans un premier temps, il faudra passer par des systèmes hybrides qui allient électronique classique et moléculaire". La fabrication, atome par atome, de prototype de nanocircuits à l’aide d’un microscope STM est envisageable. Mais pour des raisons de coût, un tel procédé n’est pas reproductible à l’échelle industrielle. Les scientifiques cherchent donc plutôt des procédés permettant à des molécules de s’assembler toutes seules sur des surfaces de silicium.

Le LEM est à la pointe des recherches fondamentales en amont de la nanoélectronique. Ses chercheurs étudient notamment le comportement des nano-objets (nanotubes, nanoparticules métalliques, polymères semi-conducteurs, etc.). Le but est d’abord de découvrir et mettre en œuvre des techniques de fabrication et d’assemblage de ces objets nanométriques. L’équipe du LEM a notamment mis au point, en collaboration avec le fondeur Motorola, un procédé d’assemblage permettant de produire des circuits intégrés à base de nanotubes de carbone. Il consiste à prédéfinir des zones « collantes » sur un substrat de silicium où les nanotubes vont se déposer et se connecter, puis à connecter ces zones au circuit intégré. Le procédé a d’ores et déjà permis de fabriquer des transistors à base de nanotubes de carbone ou d'autres dispositifs comme des diodes. Les travaux de ces chercheurs sont cruciaux, car les spécialistes pensent que dans 15 à 20 ans, les investissements industriels nécessaires pour financer la filière silicium seront devenus prohibitifs ; seules les avancées de la nanoélectronique semblent en mesure de dépasser cette crise annoncée.

04.Coloniser le nanomonde "par en dessous"

Transistor expérimentalPremière mondiale : en 1999, un transistor expérimental de 20 nanomètres est réalisé au CEA.
© CEA
Pour accéder à l’échelle nanométrique, il existe deux approches complémentaires : tenter de réduire par tous les moyens physiques la taille des outils et des composants du "macromonde", ou bien utiliser les atomes et les molécules individuels pour assembler les machines du nanomonde. La collaboration des chimistes s’avère alors indispensable. Les nanochimistes imaginent et synthétisent des composants moléculaires en utilisant les outils modernes de la synthèse moléculaire ; ils les associent ensuite en dispositifs plus complexes par des liaisons chimiques entre les différents composants.

L’équipe de Christian Joachim, du CEMES de Toulouse est ainsi parvenu, en 2001, à synthétiser une sorte de brouette moléculaire composée de 2 roues, un châssis et deux poignées. Cette nanobrouette, que l’on peut manipuler en appuyant sur ses poignées avec la pointe d’un STM, démontre que la synthèse chimique de nano-outils est possible. Mais si les chimistes savent synthétiser des molécules machines de plus en plus sophistiquées, l’autre défi est de parvenir à contrôler leur fonctionnement avec précision à l’aide d’interrupteurs de taille nanométrique.

Les recherches progressent : au laboratoire de photophysique moléculaire du CNRS à Orsay, l’équipe de Gérald Dujardin a mis au point un tel bouton de contrôle. Les chercheurs ont en effet réussi à déclencher le basculement d’une machine moléculaire en lui appliquant une tension avec la pointe d’un STM. Ce dispositif a été présenté en mai 2005 dans la prestigieuse revue Science. Selon Gerald Dujardin, ce type de nanomachine "généraliste" est appelé à jouer un rôle important dans l’électronique moléculaire de demain, notamment en tant que commutateur de nanocircuit. L’ordinateur moléculaire n’est peut-être pas encore pour aujourd’hui, mais les chercheurs devraient bientôt disposer de tous les éléments pour le construire.

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