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Dossier - Nanotechnologies : "Plus petite que soi deviendra grande !!!"
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Dans un monde où l'on favorise souvent l'adage du « think big », une petite reine commence à étendre son royaume. Elle est invisible et présente à la fois. Dualités et paradoxes sont choses communes chez elle. Cette coquine parle une langue compliquée et, parfois même, hors de toute logique humaine. Son but : déclencher une révolution à même la chimie, la biologie, les sciences médicales, la physique et la science des matériaux.

  
DossiersNanotechnologies : "Plus petite que soi deviendra grande !!!"
 

Maintenant que nous avons à la portée de notre main quelques méthodes de simulation, de modélisation et de caractérisation des nanostructures, il est un peu normal de rêver aux possibilités technologiques que peuvent nous apporter cette révolution. Le rêve de pouvoir construire ce que l'on veut, atome par atome, est à nos portes. Ce grand rêve, le célèbre physicien Richard P. Feynman l'avait bien prédit dans une allocution présentée, le 29 décembre 1959, lors de la conférence annuelle de l'American Physical Society : "Que se passerait-il si nous pouvions déplacer des atomes, un à un, et les assembler de la façon voulue ?" La réponse est simple M. Feynman : construire des matériaux qui nous obéissent au doigt et à l'œil, selon nos besoins !

Les premières technologies ayant su profiter de cette vague sont celles de l'électronique. Depuis environ 20 ans, cette industrie a investi des sommes colossales afin de construire des transistors de plus en plus petits, pour des ordinateurs (et des clients) de plus en plus avides de performances.

Alors qu'il y a une quinzaine d'années, on fabriquait des transistors à l'échelle du micron, les chercheurs sont maintenant capables de fabriquer des transistors nanométriques en laboratoire. Mais, est-ce qu'il y a une limite physique à cette miniaturisation ? Pourrait-on miniaturiser les transistors actuels jusqu'à ce qu'ils soient composés que de quelques atomes ? Oui, un problème majeur pourrait venir brouiller les cartes dans le merveilleux monde du transistor, une véritable bête noire : l'effet tunnel. Le même effet qui permet de sonder la matière à des échelles nanométriques pourrait sonner le glas de l'empire du transistor. Mais qu'est-ce que l'effet tunnel ? C'est un effet qui permet aux électrons de se transporter littéralement au travers de murs énergétiques beaucoup plus importants que l'énergie disponible dans ces électrons. C'est un peu comme si vous lanciez une balle contre un mur et que celle-ci réapparaîtrait de l'autre côté, sans y rebondir, ni défoncer ce mur. C'est un effet qui est qui est propre aux petites particules. C'est presque de la prestidigitation à l'échelle atomique.

Les transistors sont de petits composants électroniques qui agissent comme des interrupteurs. Ils laissent passer le courant ou non, selon la tension appliquée sur la partie du transistor appelée : grille. Cependant, si cette grille devient trop mince, l'effet tunnel prendra le dessus et le rendrait totalement inutilisable. Actuellement, les plus petits transistors conventionnels ayant été fabriqués font environ 50 nanomètres de longueur, avec une grille de 20 nanomètres d'épaisseur. On prédit que d'ici 10 à 20 ans, les technologies de fabrication de masse arriveront à cette limite, menant l'industrie dans un cul-de-sac. Mais que faire pour palier cette limite ? Serions-nous rendu au seuil d'une limite physique infranchissable ?

"L'industrie ne veut pas changer, alors ils sont inquiets de cette limite ", m'explique Michel Coté, professeur adjoint au Département de physique de l'Université de Montréal.  Je crois plutôt que nous devons utiliser ces effets de tunelling dans des nouveaux dispositifs. Ce ne sera pas un transistor comme Intel voudrait, mais ce serait peut-être même plus utile. Je crois que c'est la diversification qui sera le prochain domaine en expansion et c'est là que les nanotubes, les fullerènes et tous les autres nouveaux composés peuvent amener quelque chose de nouveau. », continua-t-il. Nanotubes ? Fullerènes? Euh... Qu'est-ce que ça mange en hiver ces bestioles ?!?!?!?!?

Ce sont de nouveaux matériaux qui pourraient ouvrir une toute nouvelle avenue dans la fabrication de composantes électroniques : la nanoélectronique moléculaire (ou fabriquer des molécules qui seraient, en elles-mêmes, des composantes électroniques). Les fullerènes et les nanotubes sont deux formes différentes de carbone, comme le sont le diamant et le graphite. La différence entre celles-ci réside dans l'arrangement de leurs atomes. Les fullerènes sont des molécules contenant 60 atomes de carbone dont l'arrangement forme des cages ressemblant à des ballons de soccer. Cependant, les nanotubes de carbone à simple paroi semblent encore beaucoup plus prometteurs pour la nanoélectronique. Ces nanotubes ressemblent à des feuilles de graphite, d'un atome d'épaisseur, que l'on aurait enroulées sur elles-mêmes. À l'œil nu, cette forme de carbone ressemble tout simplement à une fine suie noire. Les nanotubes composant cette poudre ont en moyenne 1.35 nanomètre de diamètre, et peuvent faire plusieurs micromètres de longueur. Leurs propriétés dépendent grandement de l'angle de torsion induit dans le tube. Plus l'angle de torsion sera grand, plus ces tubes auront des propriétés proches de celles des semi-conducteurs (et utiles à la fabrication de transistors). Dans le cas contraire, ils auront des propriétés métalliques conductrices, permettant de les utiliser comme nanofils conducteurs.

Ces nanotubes sont à l'origine de l'invention du premier transistor moléculaire, en 1999, par une équipe de scientifiques du Delft University of Technology, au Pays-Bas. Ces petits tubes, beaucoup plus petits que les transistors actuels, pourraient être la solution au problème de la miniaturisation des transistors.

En déposant un de ces tubes semi-conducteurs à simple paroi entre deux nanoélectrodes d'or, avec l'aide de la pointe d'un STM, ils ont réussi à créer le premier transistor moléculaire. Ils sont 500 fois plus petits que les transistors actuels. Malheureusement, un problème majeur existe dans la synthèse de ces nanotubes : les méthodes actuelles de synthèse ne permettent pas de fabriquer une poudre qui est composée uniquement de tubes semi-conducteurs. L'un des plus grands défis en nano est le contrôle de la synthèse. On connaît leurs propriétés, mais nous ne sommes pas capables de faire la synthèse d'un type de nanotube voulu. , explique Michel Côté. Et comble de malheur, les nanotubes métalliques et semi-conducteurs de cette poudre s'auto-assemblent, parallèlement, pour former de longues cordes composées des deux sortes de tubes. Ils forment ce que l'on appelle des tubes à multiples parois. Amalgamés avec ces tubes conducteurs, les tubes semi-conducteurs perdent leurs propriétés recherchées pour fabriquer des transistors. Oser penser séparer ces tubes un à un pour construire des puces contenant des millions de ces nanotransistors relève simplement de la folie ! Les industriels ne seraient pas intéressés à un tel procédé car beaucoup trop lent pour les besoins de la production en série. Cependant, une équipe du Watson Research Center de IBM, dans l'état de New-York, a su utiliser les forces obscures de la destruction de masse afin de résoudre le problème : la construction destructive

Il est en effet possible de construire un réseau de transistors moléculaires à nanotubes en détruisant sélectivement ceux-ci. Alors, quelle est l'astuce pour fabriquer ces réseaux ?  Cette équipe a découvert qu'il était possible de détruire les tubes conducteurs, sans que les tubes semi-conducteurs soient touchés, en appliquant une tension appropriée sur ces cordes de carbone. Dans un premier temps, une petite quantité de cette poudre est étendue sur une gaufrette de dioxyde de silicium. Par la suite, de fines nanoélectrodes sont tracées sur la plaquette avec l'aide de la photolithographie, technique utilisant de la lumière et des membranes photosensibles. Ces nanoélectrodes serviront à activer et désactiver les nanotubes en utilisant la gaufrette comme grille. En appliquant la tension appropriée sur le drain, on désactive les tubes semi-conducteurs, transformant ceux-ci en isolant électrique.

Ainsi, les tubes semi-conducteurs sont protégés et, en appliquant une seconde tension appropriée sur les nanoelectrodes d'or, les nanotubes conducteurs seront détruits, ne laissant que les tubes semi-conducteurs sur la gaufrette. Grâce à cette nouvelle méthode de fabrication, les scientifiques de IBM ont été capables de fabriquer des circuits logiques moléculaires qui sont à la base même du fonctionnement de la plupart des appareils électroniques qui nous entourent. D'ici une dizaine d'années, lorsque les procédés de fabrication des transistors conventionnels auront atteint leurs limites, les technologies des nanotubes pourront prendre la relève et "satisfaire la gourmandise des passionnés de performance informatique."

La nanoélectronique fait figure de pionnière dans le monde lilliputien des nanotechnologies. Les succès rencontrés des dernières années dans ce domaine fait bien jaser et cette contagion se transmet comme une traînée de poudre parmi la communauté scientifique. Pendant que certains chimistes tentent de fabriquer des polymères nanocomposites en utilisant des particules nanométriques d'argile, d'autres scientifiques tentent d'inventer des nanocapsules sélectives afin de mieux cibler l'action de certains médicaments; les nanotechnologies ne sont plus le fief exclusif du semi-conducteur.  Les nanotechnologies peuvent s'appliquer à une multitude d'autres domaines de la recherche scientifique , explique Rogerio Lima.  Par exemple, je travaille présentement sur le développement de nouveaux revêtements faits à partir de nanoparticules céramiques pouvant mener à des applications pour l'aérospatial et le biomédical. Cependant, aucune application commerciale n'est encore disponible sur le marché commun. Nous en sommes encore au niveau de la recherche , conclut-il.

Justement, parce qu'elles sont encore à un stade primaire de développement, ceci laisse beaucoup de place à l'imagination. Est-ce que le vif engouement pour les nanotechnologies ne pourrait-il pas aveugler la communauté scientifique et mener à une catastrophe économique semblable à celle vue dans le domaine des télécommunications ? Est-ce que ces nouveaux matériaux issus de l'infiniment petit ne pourraient-ils pas être nocifs pour l'environnement ? Ne pourraient-elles pas être utilisées pour fabriquer de nouvelles armes bactériologiques encore plus puissantes ? Bien des questions, mais bien peu de réponses pour le moment. Chose certaine, ce nouvel axe de recherches risque d'ouvrir les portes à de nouvelles technologies qui ont déjà fait le bonheur des écrivains de science-fiction. Peut-être, après tout, que Jean de la Fontaine avait bien raison : On a souvent besoin d'un plus petit que soi. - Extrait de : Le lion et le rat