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La Nanotechnologie (la nanoscience), les différents aspects liés à cette révolu

La Nanotechnologie (la nanoscience), les différents aspects liés à cette révolution technologique Pascal Vincent, MCF Université Claude Bernard Lyon 1 pascal.vincent@univ-lyon1.fr doc : http://ilm-perso.univ-lyon1.fr/~pvincent/ Chap. 1 : des mythes à la réalité Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1) Polytech-Lyon 5ème année Matériaux / Nanotechnologie Objectif, sommaire et méthodologie Ordre de grandeur : vivant vs artificiel Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (2) nanotechnologie microtechnologie macrotechnologie Objectif, sommaire et méthodologie L’avènement de la nanotechnologie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (3) 1959: Une vision de Richard Feynman: “Aucun principe de la physique, à ma connaissance, n’interdit la possibilité de manipuler des objets atome par atome. Cette manipulation à l’échelle atomique ne viole aucune loi et est donc, en principe, réalisable; en pratique cela n’a pas été fait, car nous ne disposons pas d’outils à cette échelle ….. “ 1981: STM, un outil pour l’observation d’objets atomiques par H. Rohrer et G. Binning Phys. Rev. Lett., 5 Juillet 82 après de grosses difficultés pour publier (Physica 81 puis APL 82) Objectif, sommaire et méthodologie L’avènement de la nanotechnologie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (4) 1986: Mise au point de l’Atomic Force Microscope par Binning, Quate etGerber. L’AFM est actuellement un des outils les plus utilisés pour imager, mesurer et manipuler la matière à la nanoéchelle Objectif, sommaire et méthodologie L’avènement de la nanotechnologie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (5) Le vrai départ des « Nanosciences » se fait aux alentours de 1990. Les chercheurs développant les microscopes à champ proches (STM, AFM, SNOM, MFM) se tournent de plus en plus vers la modification des surfaces en jouant sur les interactions sonde/surface. la nano-écriture sérielle Le début d’un effort mondial Objectif, sommaire et méthodologie L’avènement de la nanotechnologie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (6) 1990 : D. Eigler réussi à écrire les initiales d’IBM avec des atomes de Xénon en bougeant les atomes à l’aide d’une pointe STM 1993 : Assemblage de 48 atomes de fer pour la réalisation d’un enclos atomique (atomic corral) Objectif, sommaire et méthodologie L’avènement de la nanotechnologie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (7) A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie (molécules de monoxyde carbone sur Cu, quatre chercheurs deux semaines de travail à raison de 18 heures par jour.) Objectif, sommaire et méthodologie L’avènement de la nanotechnologie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (8) • Les biologistes peuvent faire remarquer qu’ils étudient l’AND et l’ARN depuis plus longtemps (et l’utilisent pour transformer notre monde) • Et les chimistes qu’ils synthétisent des molécules depuis plus d’un siècle !!!! Notons cependant que : Objectif, sommaire et méthodologie Historique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (9) Evidemment il existe une « préhistoire » importante et pertinente aux manipulations STM et aux travaux similaires que l’on peut incorporer dans les « Nanosciences » Chronologie brève et incomplète : Préhistoire 1857 (on pourrait trouver beaucoup d’autres exemples historiques) : Premier NanoOr. Michael Faraday fabrique de l’or colloïdale contenant de très petites particules d’or (maintenant nanoparticules) 1931 Knoll et Ruska, Invention du microscope électronique transmission. 1959 Un nouveau domaine de Physique Richard Feynman donne son fameux discours ‘Theres plenty of room at the bottom’. 1974 Première utilisation du terme « Nanotechnologie » par le Prof. Norio Taniguchi, Tokyo université 1981 Invention du microscope à effet tunnel (Nobel prize 1986) 1985 Découverte des fullérènes C60 or buckyball 1986 Eric Drexler publie un livre très influent « Engine of creation : the coming erea of nanotechnology ». Très futuriste 1986 Invention de l’AFM ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1990 Manipulation par STM i.e. Eigler, Mamin, etc 1990-2013 Croissance explosive des Nanosciences et Nanotechnologies qui se répandent dans de nombreux domaines. 1991 Utilisation de l’AFM sur des cellules vivantes (Haberle, Horbel, Binning) 1991 Découverte des Nanotubes de carbone Sumio Ijima (Pas de prix Nobel) Nanocylindres de carbone larges de quelques nanomètre Objectif, sommaire et méthodologie Historique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (10) 2002 Réalisation du premier transistor à base de nanotubes de carbone transportant plus de courant en moins d’espace. 2004 Découverte du graphène (Novoselov, Geim) (Prix Nobel) couche atomique de graphite en tant qu’objet individuel. Objectif, sommaire et méthodologie Définitions vagues Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (11) La définition des Nanosciences/ Nanotechnologies diffère suivant les personnes. Une définition simple et vague des nanosciences (nanotechnologies) : L’ « étude» par des « nano-outils » de « nano-objets » individuels qui ont des propriétés spécifiques dues à leurs dimensions Ces « nano-objets » (ou « nano-systèmes ») dépendent de qui donne la définition. . Un objet dont les trois dimensions ~ 1 nm (molécules, petits agrégats) . Au moins deux dimensions plus petites que 100 nm (nanotubes, nanofils) . Au moins une dimension plus petite que 100 nm (graphène, films minces) « Etude » signifie expérimentale ou théorique fabrication, observation, modification, positionnement, connexion, intégration, modélisation ou utilisation de « nano-objects ». Les seuls mots communs à toutes définitions sont « nano-objets » connectés à un mot attaché à « étude ». Objectif, sommaire et méthodologie Définitions Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (12) Pourquoi les nanosciences croissent elles si vite et sont si englobantes et pourquoi la définition est elle si vague et variable. 1 Le concept de manipuler des objets individuellement, par opposition à un processus volumique sur tout un ensemble est une idée puissante qui intuitivement et en pratique à permis de créer de nouvelles et excitantes fonctionnalités. 2 L’enthousiasme résultant à attiré de nombreuses recherches et chercheurs d’autres sous thématiques proches qui ont pu bénéficier des nouvelles techniques de réalisation et manipulation. Mais cela à élargit les définitions précédentes des nanotechnologies. 3 Le succès médiatique des nanosciences et nanotechnologies, c’est-à-dire la promesse d’une révolution industrielle à venir, à fait que de nombreux chercheurs ont trouvé un avantage ou une nécessité à déclarer que leurs recherches concernaient les nanotechnologies. Corollaire : les propagandistes des nanosciences ont déclaré certain domaines important et bien établis comme « nano » juste à cause de la miniaturisation en cours (i.e. électronique, magnétisme, ..) qui était déjà bien engagé dans le domaine nano. Objectif, sommaire et méthodologie Une définition plus précise Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (13) Les nanosciences et les nanotechnologies peuvent être définies comme étant les sciences et les technologies des systèmes nanoscopiques. Elles se réfèrent à une même échelle, le nanomètre, soit le milliardième de mètre. Les nanotechnologies, regroupent les instruments, les techniques de fabrication et les applications dérivées exploitant les phénomènes spécifiques liées à cette échelle nanométrique. Le vaste champ des nanosciences et nanotechnologies ("nanos") cherche donc à comprendre, maîtriser, et utiliser ces nouveaux phénomènes et en envisage les applications. Aujourd'hui, les nanosciences regroupent les recherches visant à comprendre et mettre en œuvre les phénomènes, lois physiques et propriétés apparaissant dans les objets, dispositifs et systèmes dont au moins une dimension est nanométrique. Elles constituent une base de connaissances sur les phénomènes nouveaux et spécifiques liés à cette échelle. Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les fullérènes Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (14) Les Nanotechnologies ont aussi percés grâce à un certain nombre d’objets ”stars” qui les ont popularisés auprès du grand public, des décideurs et des journalistes .... Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les fullérènes Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (15) C60 ”La plus grande molécule symétrique” • ”Découvert” en 1985 par Curl, Krotto et Smalley ( prix Nobel de chimie, 1996) Epcot center, Paris ~1 nm Architecte: R. Buckminster Fuller • C60 ou buckminsterfullérène Footballène • Les molécules de la même familles (C20, C70,C74, C84, ...) sont appelés fullérènes Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les fullérènes Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (16) Peapod (petits pois) Organic Photovoltaics, Polymer Electronics, Antioxidants & Biopharmaceuticals, Polymer Additives, Catalysts, … Le plus petit fullerène C20 Endofullerènes : molécule C60 contenant un atome Applications envisagées Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les nanotubes de carbone Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (17) Nanotubes de carbone: enroulement d’une ou plusieurs monocouches atomiques de graphite. Nanotube monoparoi : La manière de plier le feuillet détermine sa chiralité . Une propriété originale est que la chiralité détermine si le nanotube est semi-conducteur ou métallique. Diamètre de l’ordre du nanomètre Un beau nanotube (sans défauts) monoparoi a un module de Young de l’ordre de 1 Tpa (très solide) Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les nanotubes de carbone Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (18) Nanotube multiparois : enroulement de plusieurs monocouches atomiques de graphite. Comparaison d’un monoparoi et de multiparois Diamètre de 1 à 100 nm La recherche a littéralement explosé après les observations par Ijima (1991). Les longueurs de ces nanotubes peuvent aller de 10 nm au cm !!! Objectif, sommaire et méthodologie Les star des nanos : les nanotubes de carbone Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (19) Ascenseur spatial (est ce vraiment sérieux) Beaucoup de sortes de nanotubes avec des qualités (et donc des propriétés) très différentes Des centaines d’applications potentielles ont été identifiées uploads/Science et Technologie/ chap-1-introduction-universite-claude-bernard-lyon-1.pdf