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Histoire des nanosciences : du microscope à effet tunnel à la spintronique

Dossier - La révolution des nanotechnologies
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Dans ce dossier sur les nanotechnologies, découvrez en détail les avancées en nanoscience dans le domaine de la physique, de la chimie, de la biologie et de la médecine. Vous y trouverez aussi une rapide approche des risques toxicologiques possibles, des problèmes sociétaux potentiellement induits et une vision de l'éthique envisageable.

  
DossiersLa révolution des nanotechnologies
 

Depuis le début des années 80, nous sommes entrés dans le monde de la nanoscience. Invention du microscope à effet tunnel, découverte des fullerènes sont autant d'avancées ayant amené à la nanotechnologie.

Les avancées en nanoscience ont mené à la nanotechnologie. Ici, un nanotube de carbone. © Forance, Shutterstock

1981 : invention du microscope à effet tunnel

En 1981, Heinrich Rohrer et Gerd Binnig mettent au point le microscope à effet tunnel (STM pour Scanning Tunnelling Microscope en anglais), pour lequel ils obtiennent le prix Nobel de physique en 1986.

Cet instrument permet, en mesurant le courant « tunnel » passant entre une pointe se déplaçant à 0,5 nm d'une surface, de cartographier celle-ci atome par atome. C'est une extraordinaire avancée instrumentale pour la nanoscience, qui en appellera d'autres.

La nanoscience doit beaucoup à l'invention du microscope à effet tunnel. © CNRC-NRC, Institut national de nanotechnologie (INN)

1985 : découverte des fullerènes

À la même époque, en 1985, Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley synthétisent les premières molécules de C60 : 60 atomes de carbone sous forme de « ballon de football » là où le carbone n'existait naturellement que sous forme de cristaux hexagonaux « mille feuilles », le graphite, ou sous forme cubique, le diamant. Leur découverte des fullerènes leur vaudra ainsi le prix de Nobel de chimie en 1996 : c'est une avancée cruciale en nanoscience et particulièrement pour la synthèse artificielle d'objets nanométriques.

La spintronique

Toujours dans les mêmes années, Albert Fert et Peter Gruenberg donneront une explication théorique (électronique de spin ou spintronique) aux effets de magnétorésistance géante observés dans les matériaux multicouches nanométriques. Ils obtiendront en 2007 le prix de la recherche au Japon pour leurs résultats : c'est la première grande avancée théorique de la nanoscience [1].

Après cela, les avancées en nanoscience vont se multiplier dans trois domaines :

  • instrumentation,
  • nano-objets,
  • propriétés.

La loi de Moore, la voie top-down et la voie bottom-up

Par ailleurs, les développements technologiques issus de la microélectronique (loi de Moore : diminution d'un facteur 2, tous les deux ans depuis 1970, de la taille des dispositifs semi-conducteurs intervenant dans la fabrication des puces des microprocesseurs, « cœur » de l'intelligence des ordinateurs accroissant la rapidité et les capacités de calcul de ces processeurs) permettent la gravure des matériaux massifs (silicium, arseniure de gallium...) à l'échelle micronique, puis submicronique puis nanométrique : c'est la voie dite « top-down » (du haut [micron] vers le bas [nano]).

En parallèle, l'approche « chimiste » consiste à construire des matériaux massifs nanostructurés à partir de composés nanométriques assemblés : c'est la voie dite « bottom-up » (du bas [nano] vers le haut [micron]). L'ensemble de ces avancées en nanoscience amène à la nanotechnologie : réalisation d'objets nanométriques ou à bases nanométriques industrialisables et commercialisables [2].

[1] Les Nanosciences Vol 1 : Nanotechnologies et nanophysique, M.Lahmani, C.Dupas et Ph. Houdy Belin, 2006 pour la réédition. Traduit chez Springer, 2007.

[2] Les Nanosciences Vol 2 : Nanomatériaux et nanochimie, M.Lahmani, C.Bréchignac et Ph. Houdy Belin, 2006. Prix Roberval 2008. Traduction chez Springer, parution début 2008.