Contribution de David Menga, EDF R&D

David Menga est ingénieur de recherche à la Direction des études et de la recherche d’EDF et spécialiste de l’interaction homme-machine. Il a en particulier co-organisé avec la Fing pour Aristote le séminaire sur la nouvelle interaction homme-environnement (http://www.fing.org/index.php?num=3003,2). Il participe à de nombreux congrès à travers le monde pour repérer les technologies et les produits de demain.

Il a participé en particulier aux troisièmes rencontres des micros et nanotechnologies, Minatec 2003 organisées du 22 au 26 septembre 2003 à Grenoble (http://www.minatec.com/minatec2003). Les différentes conférences auxquelles il est fait référence dans ce texte sont accessibles en ligne sur le site Minatec 2003.

Plutôt que de présenter une simple suite des nouveautés de cette année, David Menga a cherché un « fil conducteur » qui permette de mieux comprendre l’évolution des micros et nanotechnologies depuis les services et les usages qui ont poussé à leur essor jusqu’à l’intégration des nombreuses technologies que couvrira ce champ de recherche dans les prochaines années.

Sommaire
Réaliser la promesse de Feynman
La biologie et le domaine de la santé
La physique et la micro-électronique
La fusion des différentes micros et nanotechnologies
De la biopuce au nanolab
Où en est-on aujourd’hui ?

Encadrés
Réticences aux nanotechnologies
Les nanotechnologies en France

Réaliser la promesse de Feynman

Les micros et nanotechnologies couvrent un champ très large de technologies (matériaux, électronique, mécanique, hydraulique, biologie…) avec une particularité : elles sont réalisées à l’échelle moléculaire ou en dessous. Parler nano, c’est se situer dans une échelle allant de 1 à 100 nanomètre (nm) , soit la taille d’un cheveu divisé par environ 100 000 (1).

Richard Feynman (http://www.nobel.se/physics/laureates/1965/feynman-bio.html), prix Nobel de physique, a indiqué dans un discours fondateur, le 26 décembre 1959 : « En l’an 2000, lorsque les gens regarderont un peu en arrière, ils seront stupéfaits de voir que nous avons attendu les années 1960 pour commencer à nous diriger sérieusement dans cette direction. »

La « promesse » de Richard Feynman concerne la banalisation des nanotechnologies pour le XIXe siècle. Pour que cette promesse se réalise, il n’est pas seulement nécessaire de faire des progrès dans la recherche, mais il est également nécessaire que de grands secteurs industriels y voient une nécessité économique. A ce jour, ce sont principalement deux secteurs qui drainent l’émergence des micros et nanotechnologies : la santé et la microélectronique.

La biologie et le domaine de la santé
Le secteur de la santé doit faire face à des besoins croissants. Tout d’abord les nouveaux modes de vie ont amené une recrudescence de nouvelles maladies (par exemple le Syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS), l’Encéphalopathie spongiforme bovine (ESB), etc.). Par ailleurs, la population est de plus en plus résistante aux antibiotiques, entre autre du fait d’une surprescrition (en particulier lorsque des antibiotiques sont prescrits en cas de maladie virale , comme l’angine virale ). La population elle-même vieillie et est donc plus exposée aux maladies classiques mais aussi pousse au développement de maladies particulières à la vieillesse (comme la maladie d’Alzheimer…).

Outre l’apparition de nouvelles maladies, le besoin de se sentir protégé augmente, en particulier avec la peur du terrorisme chimique et bactériologique (par exemple le Gaz Sarin, l’Anthrax) et l’évolution des dangers environnementaux mal maîtrisés (pollution, les Organismes génétiquement modifiés (OGM)…).

Face à cette situation, les laboratoires pharmaceutiques semblent dans une impasse et leurs réponses apparaissent insuffisantes pour deux raisons  :

Tout d’abord, nous sommes à l’apogée des découvertes permises par la compréhension actuelle du vivant. Toute nouvelle découverte nécessite une compréhension plus fine du vivant et coûte de plus en plus cher (certains médicaments se révèlent inefficaces ou ont des effets secondaires non prévus). Ainsi par exemple, les dépenses de recherche et développement du laboratoire GlaxoSmithKline sont passées de 100 millions de livres en 1989 à 300 millions de livres en 2002 (2). Pourtant, si les dépenses augmentent, il n’y a pas eu d’augmentation comparable du nombre de médicaments mis sur le marché. La recherche pharmaceutique classique, qui s’appuie sur la chimie combinatoire, a du mal à sortir de nouveaux produits et face à l’émergence ou au développement d’un grand nombre de maladies, on constate un manque de compréhension des virus et de la machinerie humaine.

Face à ces nouvelles menaces, les tests de laboratoires prennent énormément de temps. Il faut toujours 12 à 15 ans pour mettre sur le marché un nouveau médicament et la durée des brevets est limitée à 20 ans. Il est difficile d’apporter une réponse rapide aux nouveaux problèmes. L’arsenal thérapeutique, qui représente la réponse globale face aux risques de santé, diminue.

Comment organiser une réponse ?
Il devient nécessaire d’avoir une meilleure compréhension des mécanismes de fonctionnement du vivant en particulier du génome humain (la génomique fonctionnelle étudie la fonction des gènes), mais aussi des protéines synthétisées et leur mode d’action dans le corps. La protéine, comme le virus, a une signature ADN sur laquelle se concentre les recherches. Mais une bactérie ne fait que quelques centaines de nanomètres. Les outils pour l’étudier ou agir dessus doivent donc avoir une taille du même ordre de grandeur.

En poursuivant le raisonnement, on peut considérer que les échanges se produisant au sein des cellules vivantes constituent les bases de mécanismes reproductibles et contrôlables à l’échelle moléculaire. Des « moteurs moléculaires » ont ainsi été démontrés, sous la forme de molécules protéiniques dont la rotation autour d’un axe est totalement maîtrisée en laboratoire. A terme, on peut imaginer des « ordinateurs ADN », échangeant des informations avec leur environnement, et réalisant la promesse de Feynman.

La physique et la micro-électronique
Les besoins de calcul, d’échange et de stockage explosent dans le monde, en particulier avec la numérisation et les besoins accrus en modélisation (comme en météorologie, biologie, aéronautique, physique fondamentale…). Ces capacités informatiques doivent tenir dans un volume de plus en plus faible pour être embarquées ou utilisées dans les objets de notre vie quotidienne avec l’arrivée de « l’informatique diffuse » (3).

La réponse de l’industrie a été dans le développement de la miniaturisation. La loi de Moore a permis une miniaturisation de plus en plus forte des circuits électroniques (moins de 130 nanomètres pour le tracé des circuits intégrés aujourd’hui), mais les coûts de fabrication en usine ont doublé tous les 3 ans, à chaque nouvelle génération de puces. Il faut reconnaître que les modes de fabrications actuels par gravage sont extrêmement complexes à mettre en œuvre pour atteindre ces niveaux de miniaturisation et coûtent de plus en plus cher. Il devient de plus en plus dur de rentabiliser les investissements sans changer radicalement de mode de production. C’est pourquoi dans ce secteur, il est devenu nécessaire de concevoir de nouveaux modes de production adaptés à la taille des composants actuels (une centaine de nanomètres).

La capacité de traitement des machines actuelles permet de nombreux usages nouveaux. Mais les besoins en traitement toujours plus puissant sont soutenus par la modélisation (en physique, en crash test automobile, en météorologie…), mais aussi en Intelligence Artificielle, dont les évolutions laissent penser à la possibilité de créer un jour des machines dotées d’intelligence, ou en tout capables d’imiter le fonctionnement du cerveau humain. De telles machines nécessitent des puissances de calcul bien supérieures à celles dont nous disposons aujourd’hui. La nanotechnologie est donc aussi porteuse de promesses en matière de recherche en IA (4).

Enfin, si les progrès du traitement et de la communication ont permis d’obtenir aujourd’hui une certaine abondance, les capacités de stockage sont encore bien trop insuffisantes par rapport aux besoins. Nous évoquons là ce qui sera sûrement la prochaine révolution de l’informatique après celle du traitement (le microprocesseur) et celle de la communication (l’internet). Les recherches sur le stockage d’un maximum de données dans un volume minimum nous conduisent naturellement jusqu’à l’échelle atomique.

La fusion des différentes micros et nanotechnologies
Deux domaines ont ainsi besoin d’un changement de paradigme pour répondre aux besoins : la micro-électronique et la biologie (plus particulièrement la génétique). Leur mariage a permis d’envisager de mettre en œuvre non pas des solutions globales pour traiter des objets de plus en plus petit mais au contraire de pouvoir les manipuler un à un. L’idée est de passer dans les prochaines années d’une approche top-down à une approche bottom-up où chaque élément (gène, molécule, atome dopé dans un semi-conducteur…) est traité quasiment individuellement.

Mais la miniaturisation ne compte pas s’arrêter aux circuits électroniques et aux traitements moléculaires.
Pour permettre d’inclure l’ensemble des éléments d’un objet technique quelconque miniaturisé à des échelles micro ou nanoscopiques, il va falloir aller au-delà de l’intégration de protéines et de circuits intégrés et y inclure également divers autres éléments mécaniques, hydrauliques, énergétiques, photoniques, etc.

des éléments mécaniques : On a par exemple dans les capteurs le développement de MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) : des « systèmes électromécaniques qui transforment les signaux électroniques en actions mécaniques » (5). La production de MEMS devient un domaine industriel à part entière avec plusieurs centaines d’entreprises spécialisées dans le monde ;
des éléments hydrauliques : il est possible de créer de minuscules circuits hydrauliques pour réaliser par exemple des tests de diagnostique de santé comme des analyses de sang. On parle alors de microfluidique (6) ;
des éléments optiques : On utilise la fluorescence pour détecter des molécules grâce à leur caractéristiques spectrales (voir la conférence de Jacques Derouard « Principles of optical detection for biological applications »). On peut ainsi détecter des molécules dans une biopuce ;
des éléments énergétiques : En règle générale, avec l’évolution de la technologie, le besoin énergétique commence par diminuer (cela a été les cas par exemple avec les téléphones portables de plus en plus miniaturisés) mais dans une deuxième phase il augmente (ce phénomène est dû à la multiplication des fonctionnalités ajoutées dans le même objet comme l’ajout au téléphone de fonctions PDA, d’appareil photo… et à l’augmentation du débit des échanges avec l’extérieur via la définition de nouveaux standards d’échanges toujours plus évolués comme le GPRS, l’UMTS, etc.). Le même phénomène s’observe dans les cartes à puce multi-usages et devrait arriver avec les micros et nano-objets. Le problème est d’obtenir une indépendance énergétique de machines particulièrement miniaturisées (par exemple pour les nanodrones) en augmentant la densité énergétique et la vitesse de recharge. Dans ce domaine, il y a deux courants de recherche selon Caroline Combe (7), où l’on retrouve les deux approches physiques et biologiques :
d’une part des microbatteries embarquées (Varta a ainsi crée une division de microbatteries (8))  ;
d’autre part la conversion de l’énergie chimique en force de propulsion notamment grâce à une protéine, la Kinesine, présente dans tous les organismes disposant de noyaux cellulaires (Eucaryotes). Cette protéine transforme l’énergie chimique de la molécule ATP (Adénosine triphosphate), présente par exemple dans les muscles, en énergie motrice.

Les nouveaux matériaux sont un cas particulier poussé par l’industrie spatiale et militaire (9). Dans ce cas il ne s’agit pas simplement de construire tous les éléments pour créer un objet miniaturisé mais plutôt d’utiliser les nanotechnologies pour créer des matériaux macroscopiques plus résistants ou ayant des caractéristiques que l’on ne trouve pas à l’état naturel dans la nature (10). Il est ainsi possible soit d’obtenir de nouveaux matériaux soit d’obtenir de nouvelles caractéristiques à des matériaux classiques : verre hydrophobe pour les pare-brises de Daimler Bentz, matériaux autoréparateurs ou bien encore à mémoire de forme… Ces nouveaux matériaux imitent de plus en plus les caractéristiques du vivant. On parle alors de biomimétique.

La fabrication de ces nouveaux matériaux au niveau moléculaire va devoir mélanger les technologies du vivant comme l’autoassemblage, bon marché mais non industriel, et celles de la microélectronique comme la lithographie, permettant un contrôle précis des processus (11).

De la biopuce au nanolab

Un des objectifs des micros et nanotechnologies est de permettre la création de tous les ingrédients pour réaliser un objet extrêmement miniaturisé : électronique, biologie, mécanique, hydraulique, optique, énergétique…

Nous devrions voir apparaître dans les prochaines années des micros et nanos objets :
· Les biopuces qui conduisent à répondre aux besoins de détection rapide et portable aussi bien dans le domaine de la santé que dans celui des capteurs et des interfaces entre l’homme et son environnement technologique (12) ;
· Les micros et nano-usines qui permettent d’agir sur l’environnement aussi bien pour accélérer la production de nouveaux médicaments que pour produire de nouveaux objets par microassemblage (y compris des ordinateurs, des objets macroscopiques ou même … des nanos objets) ;
· Les micros et nanorobots ou drones qui ont pour vocation de se déplacer avec une autonomie maximum. Il existe plusieurs approches. On peut penser à des robots au sens mécanique du terme (rouages, « bras articulés »…) mais aussi à la généralisation du concept de machine, avec par exemple une molécule fabriquée sur mesure, capable d’effectuer des tâches précises (rechercher une cellule cancéreuse par exemple), qui se rapproche du fonctionnement traditionnel d’un médicament, mais qui a été créée brique par brique… Ces micro ou nanorobots peuvent simplement servir à observer l’environnement ou bien incorporer des molécules médicaments dans le cas de soins ciblés ou même des nano-usines.

Où en est-on aujourd’hui ?
Certains champs des micros et nanotechnologies sont encore du domaine de la recherche et demanderont parfois de nombreuses années avant de voir le jour. Mais d’autres aspects sont d’ores et déjà une réalité.

Les matériaux intelligents existent et se développent rapidement.
Les nanotubes sont déjà commercialisés avec par exemple des « nanopoudres » qui servent à augmenter les caractéristiques de matériaux existants (colles, peintures…). D’autres applications devraient voir le jour prochainement :
· Les mémoires non volatiles NRAM (Non-volatile Random Acces Memory) à base de nanotubes devraient sortir en 2005 (à ne pas confondre avec les prochaines MRAM, Magnetoresistive Random Acces Memory) (13) ;
· Des écrans plats à base de nanotubes pourraient voir le jour à la même période (14) et la première démonstration d’un écran de télévision à base de nanotubes pourrait avoir lieu dans les tous prochains mois.

Les biopuces existent et sont commercialisées mais ne sont pas encore très répandues dans les laboratoires de diagnostic. Les laboratoires BioMérieux, par l’intermédiaire de leur filiale Apibio, comptent améliorer cette situation (15).

Les micropiles à combustibles pourraient arriver dès 2004 sur nos ordinateurs portables (16) et dès 2005 pour les téléphones portables (17). Les firmes Toshiba, NEC et Motorola sont très actives sur ces domaines.

Le groupe Hewlett Packard , qui souhaite devenir le leader de « l’électronique moléculaire » , communique via des publicités télévisuelles sur les nanotechnologies (18).
Les médicaments et les micros et nano-usines ne devraient émerger eux, au mieux, que dans une dizaine d’année.

David Menga

Réticences aux nanotechnologies

La revue The Ecologist a consacré son dossier de mai 2003 aux risque liés aux effets mal connus à long terme des nanotechnologies sur le corps humain et l’environnement (19). Cette inquiétude a été soulevée dès 2000 par Bill Joy, cofondateur de Sun Microsystem (20), qui s’inquiètait de l’effet exponentiel (et donc viral) des nanotechnologies dont l’homme pourrait perdre le contrôle (les nano-usines fabriquent des nano-usines…). On retrouve les mêmes craintes dans le roman de science fiction Prey de Michael Crichton (21). Le débat a été relancé récemment par le rapport de Greenpeace Technologies futures, choix d’aujourd’hui publié en juillet 2003 (22).

Après les OGM on parle d’Organismes atomiquement modifiés (OAM ou Atomically modified organisms) (23). L’ETC (Action Group on Erosion Technology and Concentration (24)) par exemple demande un moratoire tandis que le Foresight Institute (25) cherche à fournir un guide pour utiliser les technologies émergentes au service de la condition humaine, tout en rejetant l’idée d’un tel moratoire. En France, dans la région grenobloise, le collectif « Pièces et main d’œuvre » se veut un contrepouvoir citoyen vis-à-vis de ce qu’il appelle « la nanocratie » (26).

Les nanotechnologies en France
Le Réseau de recherche en micro et nanotechnologies (RMNT) a été lancé en 1999 et est piloté par le ministère de la Recherche pour favoriser la coopération entre industriels et laboratoires publics : http://www.recherche.gouv.fr/technologie/infotel/index.htm#micro

Parallèlement, le réseau des grandes centrales pour les micros et nanotechnologies rassemble les quatre grandes centrales technologiques dédiées aux micros et nanotechnologies situées sur Grenoble (autour du CEA-LETI), Lille (autour de l’IEMN), Toulouse (autour du LAAS), et l’Ile-de-france Sud (autour de l’IEF et du LPN). Il est complété par d’autres « centrales spécifiques » : http://www.recherche.gouv.fr/technologie/infotel/index.htm#rgcmn

Quelques livres indispensables sur les micros et nanotechnologies
· Mark et Daniel Ratner, Nanotechnologies, la révolution de demain, Campuspresse, Paris, 2003.
· Jean-Louis Pautrat, Demain le nanomonde, voyage au cœur du minuscule, Fayard, collection « Temps des sciences », Paris, 2003.

Notes
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1. Voir : http://perso.wanadoo.fr/nanotechnologie/Main%20Netscape/Sommaire1.htm
2. Coulton Legge, GlaxoSmithKline , « The importance of Micro & Nano based Technologies to the pharmaceutical Industry », Minatec 2003 (.pdf) : http://www.minatec.com/minatec2003/act_pdf/1_MONDAY_LEGGE.pdf
3. Voir par exemple : « Bonne nouvelle l’Internet va disparaître » : http://www.fing.org/index.php?num=1915,2#2
4. Cette thèse est en particulier défendue par Ray Kurzweil, http://www.kurzweilai.net  ; voir aussi la revue Automates Intelligents, consacrée aux avancées pluridisciplinaires de l’Intelligence Artificielle évolutive  : http://www.automatesintelligents.com
5. Mark et Daniel Ratner, Nanotechnologies, la révolution de demain, Campuspresse, Paris, 2003.
6. Patrick Tabelling, La microfluidique, une introduction, Editions Belin, Paris, 2003 ; voir aussi sa conférence : « Some practical and Fundamental issues of Microfluidics », Minatec 2003 (.pdf)  : http://www.minatec.com/minatec2003/act_pdf/1_MONDAY_TABELING.pdf
7. Caroline Combe, « La fin de l’Anodin, Entomoptères et autres » in Automates Intelligents du 4/7/2003 : http://www.automatesintelligents.com/echanges/2003/juil/entomop.html
8. Peter Birke, Varta Microbattery Gmbh, « Varta Microbattery Smats Batteries Solutions », Minatec 2003 (.pdf) : http://www.minatec.com/minatec2003/act_pdf/4_THURSDAY_BIRKE-ILIC.pdf
9. http://web.mit.edu/isn/index.html
10. Voir en particulier Mark et Daniel Ratner, Op.cit., chapitre 6 sur les matériaux intelligents.
11. http://www.nanoelectronicsplanet.com/nanochannels/research/article/0,4028,10497_2239351,00.html
12. Voir le Compte rendu de la conférence « la nouvelle interaction homme – environnement » : http://www.fing.org/index.php?num=3003,2
13. http://www.nantero.com
14. http://www.nanoelectronicsplanet.com/nanochannels/products/article/0,4028,10460_3085391,00.html
15. http://www.minatec.com/cgi-bin/charge.pl
16. http://www.theinquirer.net/?article=8152
17. http://www.commsdesign.com/news/OEG20031003S0039
18. http://www.colin.org/otherstuff/SmallStuff/MolecularComputing.html
19. The Ecologist, mai 2003 : http://www.theecologist.org/searchResults.html?searchString=nanotechnologies&archiveOnly=1
20. Bill Joy, « Why the future doesn’t need us », Wired, issue 8.04 avril 2000 : http://www.wired.com/wired/archive/8.04/joy.html
21. Michael Crichton, Prey, Harper Collins, New York, 2002 : http://www.crichton-official.com/prey/index.html  ; traduction française de Patrick Berthon, La proie, Robert Laffont, Paris, 2003.
22. Le rapport de Greenpeace (.pdf) : http://www.greenpeace.org.uk/MultimediaFiles/Live/FullReport/5886.pdf
23. Jean-Paul Baquiast, « A quand le José Bové des nanotechnologies ? », Automates Intelligents, 29/6/2003.
24. Action Group on Erosion Technology and Concentration  : http://www.etcgroup.org
25. Foresight Institute : http://www.foresight.org
26. Pièces et main d’œuvres : http://pmo.erreur404.org/PMOtotale.htm