Les nanotechnologies

in #fr3 years ago (edited)

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[image credits : Pixabay]

Qu’est ce que la nanotechnologie ?


La nanotechnologie est la technologie de l’infiniment petit. Un nanomètre correspond à un millionième de millimètre, soit un milliard de fois plus petit qu’un mètre.

1 Nanomètre (Nm) = 0,000 000 001 mètre (m) soit 1 nm = 10-9m


Pour vous donner un ordre de grandeur, un objet de 1 nanomètre est 30 000 fois plus fin qu’un cheveu.

Proportionnellement, c’est comme si l’on comparait la taille de notre planète bleue à celle de la taille d’une simple orange : la terre représentant l’échelle des mètres et l’orange celui du nanomètre.

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[image credits: Wikipedia]

L’échelle du nanomètre est si petite qu’il devient possible d’examiner ce qui constitue l'unité même de la matière.

Il est actuellement possible d’observer ainsi que de modifier à l’échelle atomique mais aussi moléculaire, le coeur même de celle-ci.
Un nouvel univers s’ouvre sous nos yeux, mais à une échelle extrêmement réduite.


L’étude, la manipulation, ainsi que la fabrication de structures nanométriques sont appelées les nanosciences.

Les nanotechnologies et les nanosciences regroupent de nombreuses disciplines scientifiques, tels que :
  • La biologie
  • La chimie
  • La mécanique
  • L’électronique

Ces disciplines combinées permettent de contrôler les propriétés de la matière, afin d’obtenir des matériaux utilisables à notre échelle avec les caractéristiques souhaitées.

Observation de ce micro-univers

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[image credits: Wikimedia]

Pour observer l’infiniment petit, un microscope standard ne suffit pas …

Le microscope à effet tunnel

Le microscope à effet tunnel, appelé « STM » pour (Scanning Tunneling Microscope) est un instrument utilisé permettant l'étude des surfaces de matériaux conducteurs.

Il a été découvert au début des années 1980 par deux physiciens allemands (chercheurs chez IBM), Gerd Binnig et Heinrich Rohrer.
Le STM permet de véritablement cartographier atome par atome la surface de l’objet à analyser.


Le principe : doté d’une pointe métallique extrêmement fine et terminée par quelques atomes, ce microscope est capable de survoler l’échantillon à quelques nanomètres de distance. Une tension électrique est ensuite appliquée entre la pointe et la surface à analyser.
Un ordinateur ajuste en temps réel la hauteur de cette pointe afin de maintenir un courant constant (courant tunnel) pour ainsi permettre d’enregistrer les variations de la hauteur de la surface balayée.

Les donnés sont ensuite traitées par des ordinateurs, qui permettent de synthétiser les informations et de restituer des images.

Il est désormais possible de voir de façon très précise les atomes qui constituent la matière.

Une autre particularité de ce microscope est qu’il est également capable de manipuler les atomes et les déplacer afin de modifier la structure de la matière .

Le microscope à force atomique

Le microscope à force atomique, appelé « AFM » pour (Atomic Force Microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel, inventé quelques années plus tard par Gerd Bining, Christoph Gerber et Calvin Quate.

L’AFM analyse la surface point par point par balayage grâce à une sonde.
Cette dernière est constituée (comme son prédécesseur) d’une pointe très fine, positionnée à l'extrémité d'un micro-levier flexible.
Ce type de microscope mesure l'interaction attractive ou répulsive entre les atomes.


Le principe : quand la pointe est à proximité d’une surface, les forces d’interactions entre la pointe et l’échantillon entraînent une déviation du levier qui suit la loi de Hook.

La déformation du levier, qui est éclairé par un laser, est mesurée par une photo détectrice et enregistrée sur un ordinateur qui peut ainsi reconstituer une image 3D de la surface.

Ce microscope est très utile en complément au STM car il permet de visualiser la topologie de la surface d’un échantillon ne conduisant pas l’électricité, comme les molécules, les polymères et les systèmes biologiques.

Ces deux microscopes ont permis de développer de nouvelles techniques :


Les techniques ascendantes : elles consistent à assembler plusieurs particules qui n’existent pas à l’état naturel, pour former un objet de taille nanométrique.
On créé par empilement d'atomes ou de cellules, de nouveaux objets, qui seront inclus dans d'autres objets.
L’assemblage fait de manière précise permet de maîtriser totalement la structure de la matière.
La technique ascendante, est la plus prometteuse, mais n'en est encore qu'au stade expérimental contrairement à la voie descendante qui a déjà fait ses preuves dans l'industrie.


Les techniques descendantes : cela consiste à miniaturiser l’objet.
On découpe la matière pour arriver à des structures infiniment petites.
Cette approche conserve les différentes propriétés de l’objet initial. C'est une méthode qui est surtout utilisée en l’électronique où la miniaturisation est vitale.

Comprendre l’efficacité de la nanotechnologie

Lorsque l’on diminue la taille d’un matériau ses propriétés changent : il devient plus réactif.
Prenons par exemple un cube de 4 cm de côté.
Pour calculer l’aire d’un cube, il faut effectuer l’opération suivante :
6 multiplié par le carré de l'arête.

La formule est donc :
6 x (Arête)² = Aire d'un cube

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[image credits: Wikimedia]

Le cube de gauche possède une arête de 4 cm, si on déploie ses 6 faces, on couvre une surface de 96 cm 2.

Maintenant, si on divise ce cube en 8 petit cubes de 2 cm de côté chacun (figure de droite) et que l’on réitère l’opération, on obtient une surface de 192 cm 2.

On s’aperçoit qu’avec le même volume de départ on couvre une surface 2 fois plus grande.

Si l’on renouvelle l’opération et que l’on divise chaque petit cube en 8, on double encore la surface de recouvrement soit 384 cm 2.

Ce qui est surprenant, c’est que si on continue l’opération jusqu’à obtenir des cubes de 100 nanomètre de côté, on couvrirait une surface de 192 000 m2, soit l’équivalent de plus de 26 terrains de football !!

Oui, 26 terrains de football dans un cube de 4 cm !

Applications

Les nanotechnologies permettent de créer des nanomatériaux, avec des propriétés nouvelles possédant une meilleure conductivité électrique et thermique, des matériaux plus légers, plus résistants, programmables et même des nanorobots.

Voici quelques exemples


Des nanorobots pour éradiquer les tumeurs cancéreuses :

Une équipe de chercheurs américains et chinois ont programmés des nanorobots parfaitement autonomes mesurant 90 sur 60 nanomètres, capables de reconnaitre et de détruire des cellules cancéreuses, en seulement 48 heures.

Les nanorobots injectés par intraveineuse libèrent une enzyme nommée thrombine au niveau de l’ADN tumoral capable de coaguler le sang.

Cette coagulation au niveau des cellules cancéreuses permet d’interrompre l’approvisionnement de sang, ce qui a pour effet d’asphyxier et de stopper la tumeur. Actuellement, les tests ont été effectué uniquement sur des souris infectées par différentes cellules cancéreuses humaines. Cependant, les résultats encourageants ont démontré que les tumeurs ont été ralenties ou inversées dans 100% des cas.

Les nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone (NTC) sont des structures incroyables. Elles possèdent des propriétés électroniques, magnétiques et mécaniques offrant un immense potentiel.
Ces nanotubes sont au moins 100 fois plus résistants que l'acier, mais seulement un sixième plus lourds. Les fibres nanotubes pourraient renforcer presque n'importe quel matériau et pourraient considérablement améliorer la vie quotidienne.

Les nanotubes peuvent aussi augmenter la transmission de chaleur et d’électricité (mieux que le cuivre !). Les NTC sont déjà utilisés pour améliorer les équipements sportifs comme les clubs de golfs, les skis et même les coques de bateaux.
Il est également possible de rendre une surface totalement imperméable en organisant les nanotubes afin que l’eau ne pénètre plus les matériaux. Ce système pourrait être utile pour des bâtiments, afin de combattre l’humidité.

Les NTC possèdent aussi une énorme capacité à absorber de l’énergie mécanique.

Prenons un exemple reprenant le biomimétisme :

Actuellement la fibre ayant la meilleure capacité à absorber l’énergie mécanique, est une fibre naturelle : la soie d’araignée.

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[image credits: Pixabay]

Sachez qu’une toile d’araignée de 1 kg serait capable de stopper une moto de 300 kg lancée à 100 km/h.

Si on réalisait la même toile de 1 kg avec des fibres de nanocarbones , on serait capable d’arrêter un véhicule de plus de 1 tonne !
Cette capacité à absorber autant d’énergie est envisagé pour le développement de vêtement de protection militaire : des casques ou des gilets par balles ultra légers et plus efficaces.
Il est également possible d’améliorer les blindages des chars d’assaut et des sous-marins.

Le dioxyde de titane

Le dioxyde de titane plus communément appelé E171 est un colorant composé de microparticules et de nanoparticules, présent dans de nombreux produits alimentaires, comme les dentifrices, les bonbons, les biscuits etc…mais aussi dans plus de 4 000 médicaments.

Les nanoparticules présentes dans le dioxyde de titane aident les produits transformés à en modifier la couleur, l’odeur, ou encore la texture.

Par exemple, le dioxyde de titane sous forme nano, optimise l’aspect blanchissant des glaçages et enrobages des produits sucrés. Il aide aussi à empêcher l’oxygène et l’humidité d’altérer le produit.

Son utilisation sous forme nano pose de nombreuses questions pour la santé car il passe plus facilement les barrières physiologiques selon certaines études.
L'additif E171 a été autorisé à la fin des années 60, à une époque où les nanotechnologies n’existaient pas encore.
En 2006, le centre international de recherche sur le cancer a classé le dioxyde de titane comme possiblement cancérigène pour l'homme lorsqu'il est inhalé.

Les risques liés à l’utilisation des nanomatériaux :

Comme nous l'avons vu précédemment, les nanotechnologies apportent de nombreux progrès à notre vie, mais également des dangers.

A l’heure actuelle, dans l’actualité, les nanomatériaux sont de plus en plus critiqués, alors qu’ils sont en train de devenir incontournables dans notre quotidien.
L’infime taille des nanoparticules leur permet de traverser les barrières du corps humain. Elles peuvent facilement aller dans le sang, les poumons et même dans le cerveau.
Le danger réside dans le fait qu’il soit possible que nous ne possédions pas les outils nécessaires pour évaluer les risques potentiels des nanomatériaux.

Une multitude de nouveaux matériaux est développée dans l’industrie contenant des particules nanométriques.
Le problème est que notre connaissance des effets néfastes potentiels progresse plus lentement que les développements technologiques.
La taille n’est pas le seul paramètre responsable d’un éventuel effet toxique.
Inhaler certaines particules peut provoquer une inflammation des poumons, ou des effets néfastes sur les gènes.
Certaines nano-fibres peuvent provoquer des réactions semblables à l’amiante.

Conclusion

Pour beaucoup, les nanotechnologies s’annoncent comme une révolution.

Nous avons vu qu'elles permettaient de créer, de réparer, d’améliorer les choses en explorant et en modifiant le coeur même de la matière.

Aujourd'hui, beaucoup de domaines sont donc concernés (médecine, textile, militaire, industrie, agroalimentaire etc...), ce qui marquera inévitablement notre avenir.

Elles doivent cependant être utilisées avec énormément de précaution, car nous n’avons pas le recul nécessaire, ni sur la capacité à l’heure actuelle de prédire l’ampleur qu’elles pourraient prendre dans les prochaines années, ni de prévoir leurs impacts réels sur la santé de l'être humain et sur l’environnement.

Pour ma part, je pense qu’une recherche systématique sur les risques toxicologiques des nanoparticules doit être menée, ce qui implique de nouveaux moyens mais aussi une importante création d’emplois.

Les nanotechnologies suscitent donc de nombreux débats.

Quant à ses dangers pour notre environnement et pour nous même, ils n’empêcheront pas les chercheurs de continuer à nous faire rêver et d’explorer de nouvelles possibilités que seul la science est capable de nous apporter, et d’espérer de notre côté que ces technologies ne soient pas utilisées à de mauvaises fins.

Sources :

Cnrs
Culture et sciences
Universalis
Stm
Microscope à effet tunnel
Microscope atomique
Microscope atomique 2
Nanorobots
Techno Science
Dioxyde de titane

Pour aller plus loin :

Nanorobots
Santé
Nanotubes
Nanotubes 2
Danger Dioxyde de titane


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Sort:  

Ouuuuh mais qu'il tombe bien ton article, je vais pouvoir le citer dans mon prochain, c'est pile-poil ce qu'il me fallait ^^ ;-).

Super, je tombe à pic alors ! ;-)

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Waouuh @yann85 : super article hyper intéressant. Je l'upvote et le resteeme ;)

Merci du soutien @iptrucs ! ;-)

Super post ! Merci ;-)

Merci beaucoup @zonguin ;-)

J’ai vraiment trouvé ton article très interessant @yann85 ! Tu y présentes différents aspects du sujet. Pour en ajouter sur la prudence en ce qui a trait à l’utilisation des nanotechnologies, je crois que ce type d’avancée technologique doit être solidement arrimée à une réflexion éthique rigoureuse.

Merci beaucoup @ancolie, tu trouves toujours les mots pour soutenir la communauté ;-) Et encore merci pour le partage ;-)

Très bon article sur l'infiniment petit ! Upvoté à 100% !

j'ai lu une recherche russe récente qui utilise des propriétés magnétiques des nanoparticules associés a la thrombine pour les guider..Ca sera révolutionnaire en cas d'hémorragie interne ! Trés intéressant comme article !

Merci pour ton retour @fancybrothers ! Effectivement ça a l'air génial ce procédé, je vais faire des recherches de ce pas, je trouve ça fascinant, merci pour l'info ;-)

J'ai aussi lu dans un article que certains chercheurs travaillent sur l'éradication du virus du sida en utilisant des nanoparticules d'argent, Nous espérons que la nanotechnologie est la solution future pour lutter contre les maladies incurables.
Merci pour ce merveilleux travail, Bravo :) cet article mérite 1000 upvote :p

Effectivement @benainouna la solution est peut être ici ! L'avenir nous le dira. En attendant je te remercie pour ton commentaire, ça fait plaisir ;-)

Sacré boulot et très bon article 👍

Félicitations @yann85 pour cet article de qualité !
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Nano? Vous avez dit nano? Mais ton article est énorme @yann85!!! Du super boulot sur le monde de l’infiniment petit. Merci à toi👍

Merci @kelos ! Toi aussi tu fais du bon boulot ;-) merci pour le resteem ! ;-)

Un article bien détaillé, merci Yann pour toutes ces infos . Bravo un très bon choix je pique 😉😜😄

Super merci @lyly2003 pour le resteem ;-)

Superbe article ! Resteemé ! J'ai beaucoup apprécié la partie sur le fonctionnement des microscopes ! Très intéressant d'avoir parlé de la problématique sur les effets potentiellement non maîtrisés : ça rejoint un peu la conclusion de mon post sur la bioéthique. Super boulot !

Merci beaucoup @duke77 !! Et encore merci pour le partage et la promo, ça fait vraiment plaisir ;-)

J'ai adoré, merci, resteemé

Merci beaucoup @itharagaian pour le soutien ;-)