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Montréal Septembre 2004 © 2004 Dina Feigenbaum, Albert Nsamirizi, Bernard Sincl

Montréal Septembre 2004 © 2004 Dina Feigenbaum, Albert Nsamirizi, Bernard Sinclair-Desgagné. Tous droits réservés. All rights reserved. Reproduction partielle permise avec citation du document source, incluant la notice ©. Short sections may be quoted without explicit permission, if full credit, including © notice, is given to the source. Série Scientifique Scientific Series 2004s-44 Les Nanotechnologies : leurs bénéfices et leurs risques potentiels Dina Feigenbaum, Albert Nsamirizi, Bernard Sinclair-Desgagné CIRANO Le CIRANO est un organisme sans but lucratif constitué en vertu de la Loi des compagnies du Québec. Le financement de son infrastructure et de ses activités de recherche provient des cotisations de ses organisations-membres, d’une subvention d’infrastructure du Ministère du Développement économique et régional et de la Recherche, de même que des subventions et mandats obtenus par ses équipes de recherche. CIRANO is a private non-profit organization incorporated under the Québec Companies Act. Its infrastructure and research activities are funded through fees paid by member organizations, an infrastructure grant from the Ministère du Développement économique et régional et de la Recherche, and grants and research mandates obtained by its research teams. Les organisations-partenaires / The Partner Organizations PARTENAIRE MAJEUR . Ministère du Développement économique et régional et de la Recherche [MDERR] PARTENAIRES . Alcan inc. . Axa Canada . Banque du Canada . Banque Laurentienne du Canada . Banque Nationale du Canada . Banque Royale du Canada . Bell Canada . BMO Groupe Financier . Bombardier . Bourse de Montréal . Caisse de dépôt et placement du Québec . Développement des ressources humaines Canada [DRHC] . Fédération des caisses Desjardins du Québec . GazMétro . Hydro-Québec . Industrie Canada . Ministère des Finances du Québec . Pratt & Whitney Canada Inc. . Raymond Chabot Grant Thornton . Ville de Montréal . École Polytechnique de Montréal . HEC Montréal . Université Concordia . Université de Montréal . Université du Québec à Montréal . Université Laval . Université McGill . Université de Sherbrooke ASSOCIE A : . Institut de Finance Mathématique de Montréal (IFM2) . Laboratoires universitaires Bell Canada . Réseau de calcul et de modélisation mathématique [RCM2] . Réseau de centres d’excellence MITACS (Les mathématiques des technologies de l’information et des systèmes complexes) ISSN 1198-8177 Les cahiers de la série scientifique (CS) visent à rendre accessibles des résultats de recherche effectuée au CIRANO afin de susciter échanges et commentaires. Ces cahiers sont écrits dans le style des publications scientifiques. Les idées et les opinions émises sont sous l’unique responsabilité des auteurs et ne représentent pas nécessairement les positions du CIRANO ou de ses partenaires. This paper presents research carried out at CIRANO and aims at encouraging discussion and comment. The observations and viewpoints expressed are the sole responsibility of the authors. They do not necessarily represent positions of CIRANO or its partners. Les Nanotechnologies : leurs bénéfices et leurs risques potentiels Dina Feigenbaum*, Albert Nsamirizi†, Bernard Sinclair-Desgagné ‡ Résumé / Abstract Ce rapport est une introduction au domaine fascinant des nanotechnologies. Le but est de définir ce qu’est la nanotechnologie, évaluer sa portée en termes d’applications, en connaître les principaux acteurs, et évaluer les dangers potentiels qui pourraient émaner de ce domaine en effervescence. En introduction, un bref historique ainsi que les différentes définitions accordées au terme nanotechnologie seront exposés. Ensuite, les différentes applications connues à ce jour et envisagées seront regroupées selon les trois domaines les plus importants des nanotechnologies. L’aspect économique sera abordé dans la troisième partie avant d’aborder la question des risques pour la santé et l’environnement. Finalement, les difficultés que posent l’application de la politique intégrée des produits en rapport avec les nanotechnologies et l’importance de l’Analyse de Cycle de Vie dans l’intégration de cette politique seront mentionnées dans la conclusion. Mots clés : nanotechnologies, nanosciences, nanoélectronique, nanomatériaux, nanoparticules, nanobiotechnologies, biopuces, NanoQuébec, nanotubes de carbone, risques technologiques, politique intégrée de produits, ACV, développement durable. This report is an introduction to the nanotechnology uprising fields. In the first section, different definitions of the nanotechnology term are given. Then, the various applications known to date and expected in the near future will be gathered according to the three most important fields of the nanotechnologies. The economic aspect will be treated in the third part before tackling the question of health and environment risks. Finally, the challenges to design an Integrated Product Policy for nanoproducts and process, as well as the importance and difficulties of elaborating a complete Life Cycle Assessment for implementing such a policy will be pointed out in the conclusion. Keywords: nanotechnology, nanosciences, nanoelectronics, nanomaterials, nanoparticules, nanobiotechnologies, bioanalyser, NanoQuebec, carbon nanotubes, technological risk, Integrated Product Policy, LCA, sustainable development. * Dina Feigenbaum, CIRANO et HEC Montréal, 2020 rue University, 25è étage, Montréal, Québec, Canada, H3A 2A5, courriel : dina.feigenbaum@cirano.qc.ca. † Albert Nsamirizi, CIRANO, 2020 rue University, 25è étage, Montréal, Québec, Canada, H3A 2A5, courriel : albert.nsamirizi@polymtl.ca. ‡ Bernard Sinclair-Desgagné, CIRANO, CIRAIG et HEC Montreal, rue University, 25è étage, Montréal, Québec, Canada, H3A 2A5, courriel : bernard.sinclairdesgagne@cirano.qc.ca. 3 Table des matières 1 INTRODUCTION..................................................................................................... 5 1.1 HISTORIQUE......................................................................................................... 5 1.2 LES DÉFINITIONS ................................................................................................. 6 1.3 LE MICROSCOPE À EFFET TUNNEL......................................................................... 8 2 APPLICATIONS .................................................................................................... 11 2.1 NANO-ÉLECTRONIQUE ....................................................................................... 11 2.1.1 La Course à la miniaturisation (loi de Moore)......................................... 11 2.1.2 Limites de la photolithographie (loi de Moore contre-carrée)................. 12 2.1.3 Solutions pour repousser les limites de la lithographie ........................... 13 2.1.4 Problème à prévoir : l’effet tunnel............................................................ 14 2.1.5 Alternatives à la lithographie classique ................................................... 14 2.2 LES NANOMATÉRIAUX ....................................................................................... 16 2.2.1 Applications des nanomatériaux............................................................... 16 2.2.2 Exemple d’applications : Les nanotubes de carbone ............................... 17 2.2.3 Exemple d’applications : la nanopoudre de fer........................................ 20 2.2.4 Commercialisation.................................................................................... 21 2.3 LES NANOBIOTECHNOLOGIES............................................................................. 22 2.3.1 La Biopuce ................................................................................................ 22 2.3.2 Association neurones-transistors.............................................................. 26 2.3.3 Commercialisation.................................................................................... 27 3 DONNÉES ÉCONOMIQUES ET POLITIQUES NATIONALES.................... 28 3.1 INVESTISSEMENTS.............................................................................................. 28 3.2 POLITIQUE AU CANADA ..................................................................................... 30 3.3 POLITIQUE AU QUÉBEC ...................................................................................... 31 3.3.1 VRQ – NanoQuébec.................................................................................. 31 3.3.2 CRSNG...................................................................................................... 34 4 ÉVALUATION DES RISQUES............................................................................ 36 4.1 RISQUES LIÉS AUX NANOMATÉRIAUX................................................................. 36 4.1.1 Environnement.......................................................................................... 36 4.1.2 Entreposage .............................................................................................. 37 4.1.3 Risques pour la santé................................................................................ 37 4.2 ÉTHIQUE ............................................................................................................ 40 5 CONCLUSION ....................................................................................................... 41 4 TABLE DES FIGURES FIGURE 1-1: PRINCIPE DU MICROSCOPE À EFFET TUNNEL ............................................................. 8 FIGURE 1-2: CERCLE D’ATOMES DE FER SUR SURFACE DE CUIVRE................................................. 9 FIGURE 1-3: ÉCRITURE ATOMIQUE.................................................................................................. 9 FIGURE 1-4: A) MILLIPEDE EN ACTION B) CIRCUIT ÉLECTRIQUE CONTRÔLANT LES 1024 POINTES QUI SE REJOIGNENT DANS UN CARRÉ DE 3MMX3MM ............................................................ 10 FIGURE 2-1: PRINCIPE DE LA PHOTOLITHOGRAPHIE...................................................................... 12 FIGURE 2-2: LE PLUS PETIT TRANSISTOR FONCTIONNEL............................................................... 14 FIGURE 2-3: AGENCEMENT DES ATOMES DE CARBONE DANS UN NANOTUBE............................... 18 FIGURE 2-4: NANOTUBES DE CARBONE AUTO-ASSEMBLÉS SUR UNE SURFACE DE SILICE FONCTIONNALISÉE ................................................................................................................ 18 FIGURE 2-5: DÉCONTAMINATION DE SOLS POLLUÉS PAR LES NANOPOUDRES DE FER.................. 21 FIGURE 2-6: REPRÉSENTATION DE L’ADN.................................................................................... 22 FIGURE 2-7: ENSEMBLE DES GÈNES EXPRIMÉS PAR UNE CELLULE DE LEVURE, RÉVÉLÉS PAR UNE BIOPUCE ................................................................................................................................ 24 FIGURE 2-8: BIOPUCE À HAUTE DENSITÉ....................................................................................... 25 FIGURE 2-9: NEURONE D’UN CERVEAU DE RAT DÉPOSÉ SUR UN ENSEMBLE DE TRANSISTOR....... 27 FIGURE 2-10: BIOANALYSER 2100 D’AGILENT TECHNOLOGIES................................................... 28 FIGURE 3-1: INVESTISSEMENTS NATIONAUX EN R&D POUR LA NANOTECHNOLOGIE (AOÛT 2001) .............................................................................................................................................. 29 5 1 Introduction 1.1 Historique À l’échelle mondiale, les nanotechnologies suscitent de plus en plus d’intérêt et sont en voie de constituer le cœur de la prochaine révolution industrielle. Le développement des sciences nous a amenés à un point de convergence où les technologies de pointe sont à l’étape de la manipulation de la matière dans ses plus petits éléments constituants. Dès 1959, le visionnaire américain Richard Feynman a lancé le défi à la communauté scientifique d’aller au cœur de la matière pour la transformer, molécule par molécule. Mais à cette époque, une telle vision ne pouvait être concrétisée avant l’arrivée de certaines percées scientifiques comme celle apportée en 1981 par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer : le microscope à effet tunnel. Grâce à cet outil, on pouvait enfin « voir » la matière à l’échelle atomique. Les activités de recherche vers la fin des années 80 se répartissaient entre différents champs d’intérêts non reliés. L’auto-assemblage chimique des molécules reçût de plus en plus d’attention dans ces années-là, avec d’importantes contributions comme celle de Jean Marie Lehn, pionnier de la chimie supramoléculaire qui reçut le prix Nobel de chimie de 1987. Il travailla sur des molécules «hôtes» présentant des cavités de tailles et de formes bien définies capables de reconnaître et de se lier à de plus petites molécules de formes et de tailles correspondant à celles des cavités, comme une clé est acceptée par une serrure. Ce processus, qui fait intervenir une véritable «reconnaissance moléculaire», apparaît comme un phénomène fondamental de la vie, responsable de l'élaboration et de la transmission de l'information à l'échelle moléculaire. Une autre découverte marquante dans ce cheminement est la découverte de la fameuse molécule « fullerène », structure de 60 atomes de carbone. Enfin en 1991, S. Iijima découvre les nanotubes de carbone qui sont un élément incontournable des nanotechnologies. À partir de ce moment, jusqu’en 1996, les nanosciences sont reléguées au titre de « science-fiction » car les uploads/Science et Technologie/ les-nanotechnologies-leurs-benefices-et-leurs-risques-potentiels.pdf