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DU NANOMONDE À L A D É C O U V E R T E DU NANOMONDE À L A D É C O U V E R T E n

DU NANOMONDE À L A D É C O U V E R T E DU NANOMONDE À L A D É C O U V E R T E n monde nouveau est en train de naître. Il nous promet des produits plus petits, plus légers, moins chers. Il nous propose des ordinateurs plus performants, des moyens de communication plus rapides, des traitements médicaux plus efficaces, un environnement plus propre, un cadre de vie plus agréable. C’est le nanomonde : le monde des nanosciences et des nanotechnologies. Il vise à élaborer de nouveaux matériaux et des composants toujours plus petits, à construire "atome par atome" de nouvelles molécules et à les assembler pour réaliser de nouvelles fonctions, et à exploiter des phénomènes nouveaux qui n'apparaissent qu'à l'échelle du nanomètre. Que sont les nanosciences ? Comment fabrique-t-on les nanocomposants ? En quoi les nanotechnologies vont-elles améliorer notre vie quotidienne ? Partons à la découverte de ce monde fascinant ! 1 2 3 4 5 INTRODUCTION AU NANOMONDE p 2 Qu’est-ce que le nanomètre ? p 3 Comment fabriquer des nanocomposants ? AUJOURD’HUI : L'ÈRE DES MICROTECHNOLOGIES p 4 Du transistor au circuit intégré p 8 L ’accéléromètre p 10 L ’optique adaptative p 12 L ’imprimante à jet d’encre p 13 Le distributeur d’insuline p 14 Le laboratoire sur puce p 15 La biopuce à ADN p 16 Les problèmes de la miniaturisation DEMAIN : LES MICRO- ET NANOTECHNOLOGIES p 18 Quels sont les outils actuels des nanotechnologies ? p 20 Comment fabriquer des objets nanométriques ? p 21 Les nanotubes de carbone p 23 Les nanocristaux fluorescents p 24 Les revêtements nanomodifiés p 24 La poussière électronique communicante p 27 Les implants et les prothèses biocompatibles ET APRÈS ? p 26 Le transistor à un électron p 27 L ’électronique de spin p 28 L ’électronique moléculaire p 28 Les nanomatériaux p 29 Les capteurs chimiques et biologiques p 30 Les vecteurs de médicaments CONCLUSION U 1 1 AU NANOMONDE I N T R O D U C T I O N Le préfixe "nano" vient du grec et signifie très petit. Les scientifiques l'utilisent comme préfixe dans les unités de mesure pour exprimer le milliardième de l'unité de base : le nanomètre est le milliardième de mètre, soit 0,000 000 001 mètre. Il est d'usage de l'écrire en abrégé "nm". Un nanomètre, c’est environ : • 500 000 fois plus fin que l'épaisseur du trait de stylo à bille ; • 30 000 fois plus fin que l’épaisseur d’un cheveu ; • 100 fois plus petit que la molécule d’ADN ; • 4 atomes de silicium mis l'un à côté de l'autre. Qu’est-ce que le nanomètre ? Les dimensions du monde du vivant et celles des produits fabriqués par l'homme nous donnent une bonne idée de l'échelle du nanomonde. M 2 • en adoptant une voie descendante (en anglais "top-down") : on part d’un matériau, on le "découpe" et on le "sculpte" pour réduire le plus possible les dimensions de l'objet ou du composant que l'on veut fabriquer. C'est la voie qu'a suivie l'électronique depuis 30 ans, provo- quant une révolution technologique dont l'ordinateur est le résultat le plus remarquable. L ’effort de miniaturisation a d'abord conduit à des composants de dimensions micrométriques et est maintenant descendu en dessous des 100 nm. • en adoptant une voie ascendante (en anglais "bottom-up") : on assemble la matière atome par atome pour construire des molé- cules que l'on intègre ensuite dans des systèmes plus grands. Cette voie est similaire à celle suivie par la nature : à partir des molé- cules d'ammoniac, de dioxyde de carbone, d'eau et de sels minéraux, elle a formé durant 4 milliards d'années d'évolution le monde du vivant si riche et si complexe d'aujourd'hui. Comment fabriquer des nanocomposants ? Retraçons d’abord l’histoire récente de la micro- électronique, qui nous amènera au seuil des nanosciences. Le micromètre (ou micron) représente le millionième de mètre, soit 0,000 001 mètre. Il s’écrit en abrégé “µm”. M 3 2 Le progrès fulgurant de l'électronique est dû à l'invention du transistor en 1948 par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley (laboratoires Bell, États-Unis), invention qui leur a valu le prix Nobel de physique en 1956. En raison de son faible encombrement et de sa consommation réduite, le transistor a rapidement sup- planté les volumineux tubes à vide (les lampes) et a ainsi ouvert la voie à la miniaturisation par l'approche descendante ("top-down"). Le transistor est un dispositif électronique qui a trois électrodes appelées : source, drain et grille. Il agit comme un interrupteur : il laisse passer le courant électrique entre la source et le drain si l'on applique une tension électrique sur la grille. Si l’on supprime la tension sur la grille, le courant ne passe plus. Du transistor au circuit intégré MICROTECHNOLOGIES A U J O U R D ’ H U I , L ’ È R E D E S M M Qu’est-ce qu’un transistor ? Transistor. M 4 Fonctionnement du transistor Une tension appliquée sur la grille induit un canal de conduction sous l’isolant. Le courant d’électrons peut alors passer entre la source et le drain. Si l’on supprime la tension appliquée sur la grille, le canal de conduction disparaît et le courant est interrompu. Substrat Drain Source Grille Isolant Courant d'électrons Canal de conduction - + + Substrat Drain Source Grille Isolant - + Transistor conducteur (interrupteur fermé) Transistor bloqué (interrupteur ouvert) Grille Drain Source Une autre invention décisive a été le circuit intégré, réalisé en 1959 par Jack Kilby, (société Texas Instruments, prix Nobel de physique en 2000) et Robert Noyce (Fairchild Semiconductor). Les premiers circuits électro- niques consistaient en un assem- blage de divers composants (transistors, résistances, conden- sateurs) reliés par des fils élec- triques. Dans le circuit intégré, les compo- sants sont dès leur fabrication interconnectés sur un support commun en silicium, appelé puce. Il est ainsi plus petit, moins cher, contient plus de composants et peut réaliser plus de fonctions que “ses ancêtres”. Les circuits intégrés ont envahi les appareils de notre vie quotidienne, du lecteur de DVD à la carte ban- caire en passant par la télévision, le téléphone, l'appareil photo numérique, l'ordinateur, la machine à laver, le four à micro-ondes et l'automobile. Un des circuits intégrés les plus récents est le microprocesseur. Il est constitué de millions de tran- sistors et réalise des opérations mathématiques très complexes avec une rapidité fulgurante. Il est devenu le cœur de tout ordinateur. Qu’est-ce qu’un circuit intégré ? © ILSO Grenoble 5 Circuits intégrés. M 1 cm 2 AUJOURD’HUI : L ' È R E D E S M I C R O T E C H N O L O G I E S 6 Fabriquer un circuit intégré est un processus complexe qui implique des centaines d'opérations, une grande précision et de nombreux tests. Le matériau de base du circuit intégré est le silicium, élément chi- mique le plus courant sur la Terre, que l'on trouve en abondance dans le sable. Extrait du sable par puri- fication, le silicium est cristallisé sous la forme de barreaux de 20 à 30 centimètres de diamètre que l'on va ensuite découper en tran- ches de moins d'un millimètre d'épaisseur. C'est sur cette tran- che que l'on fabriquera en même temps des centaines de puces, grâce à la technique de la photoli- thographie, qui, à certains égards, est analogue au procédé de déve- loppement des clichés photogra- phiques. Les unités de fabrication de circuits intégrés sont appelées "salles blanches" car elles doivent pré- senter des conditions extrêmes de propreté. En effet, le moindre grain de poussière pourrait com- promettre le bon fonctionnement du circuit. Depuis 30 ans, la fabrication des composants micro-électroniques est de plus en plus performante : tous les 18 mois, le nombre des transistors sur la surface d'une puce double et les dimensions des grilles de transistors diminuent par un facteur 1,3. Cette tendance est connue sous le nom de loi de Moore, du nom de son auteur, Gordon Moore, co-fondateur de la société Intel (USA). Ainsi, aujourd’hui, on fabrique des micro- processeurs de 1 cm2 de surface et contenant 50 millions de tran- sistors ; la surface moyenne d’un transistor est actuellement de 1 micromètre carré et la finesse des motifs réalisés par photolitho- graphie atteint 100 nm. Tranche de silicium de 300 mm de diamètre. M © Artechnique-Grenoble Comment fabrique-t-on un circuit intégré ? 50 nm Puce Transistor 7 La miniaturisation des transistors et la maîtrise des techniques d'interconnexion ont permis d'augmenter la vitesse de fonc- tionnement des microprocesseurs, ce dont témoigne l'augmentation continue de la vitesse des micro- processeurs des ordinateurs grand public (100 MégaHertz en 1995 ; 2,4 GigaHertz en 2003, soit 24 fois plus) pour un prix de vente pratiquement constant. Salle blanche de la société STMicroelectronics (Crolles, Isère) où sont fabriqués des circuits intégrés. M 76 000 euros 1973 6 000 euros 1977 450 euros 1981 120 euros 1984 30 euros 1987 4,5 euros uploads/Science et Technologie/ nanomonde.pdf