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 Comment fabriquer à l'échelle nanométrique ?

Annexe au chapitre nanotechnologies de prospectic-2008

 

Mots-clés : ,

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Il existe deux grandes approches pour mettre en œuvre les nanotechnologies [1] :

  • Le top-down qui consiste à faire du « petit » à partir du « grand » en sculptant la matière ;
  • Le bottom-up qui consiste à construire des objets par assemblage d’atomes, de molécules ou de nanostructures ;

Pour réaliser des circuits intégrés composés de transistors de quelques dizaines de nanomètres à l’échelle industrielle, on utilise actuellement une technique de gravure (donc top down) : la lithographie. Cette méthode permet de réaliser en laboratoire des structures de 20nm.

Pour manipuler atome par atome (approche bottom-up), on utilise le (Scanning Tunneling Microscope : ) inventé en 1981 par et d’IBM. Il permet non seulement d’observer des atomes mais également de les manipuler [2]. Ainsi, D. M. Eigler et E. K. Schweizer ont démontré la possibilité de contrôler ce niveau de la matière en écrivant en 1990 les trois lettres atome par atome sur un substrat [3]. Cependant, avec cette approche, il faudrait bien plus que les 14 milliards d’années que représentent l’âge de l’univers pour produire un millimètre cube de nanomatériaux…

Entre ces deux extrêmes, beaucoup de modes de fabrication de nanotechnologies utilisent une synthèse par auto-assemblage, proche du bottom-up, mais demandant une maîtrise des constituants élémentaires. Il existe en fait trois façons d’envisager l’ :
  1. Si on jette un grand nombre de dés sur un plateau limité en taille et placé sur une table agitée de petites secousses, ils vont avoir tendance à s’orienter dans le même sens pour s’assembler face contre face. Il est possible avec une approche similaire – les vibrations représentant en fait l’agitation thermique dans un four - de réaliser la synthèse de matériaux qui n’existent pas à l’état naturel. Nous verrons dans la partie sur les nanomatériaux passifs les modes de fabrication d’ores et déjà industriels.
  2. Le vivant utilise un mode d’auto-assemblage plus sophistiqué, contrôlé par la forme des molécules mais aussi par la chimie.  L’homme arrive de plus en plus à synthétiser des séquences d’ADN pour qu’il produise ce type de macromolécules (les protéines) grâce aux biotechnologies. Certains les appellent « les », car elles travaillent essentiellement avec les composants de la cellule, qui se développent en milieu aqueux. Par opposition les « nanotechnologies sèches » agiraient sur des structures non organiques, comme les fullerènes, le silicium, les métaux ou les semi-conducteurs.
  3. On peut imaginer à plus long terme, des modes d’assemblage entièrement contrôlés comme le sont nos usines à l’échelle humaine, qui pourraient créer atome par atome n’importe quel objet. De telles nano-usines seront-elles un jour possibles ? Certains le pensent comme , d’autres pensent que c’est impossible comme Jean-Jacques Samueli [4]. Quoi qu’il en soit, de nombreux progrès seraient encore nécessaires pour arriver à ce stade (voir la partie sur les systèmes de nanosystèmes).

Notes :
[1] Académie des Sciences – Académie des Technologies, Nanosciences – Nanotechnologies, RST n°18, éditions
Tec & Doc Lavoisier, Avril 2004
[2] Le microscope électronique est parfois également utilisé pour faire de la lithographie par faisceau d’électrons
pour graver des structures de dimension inférieure à 10 nm : http://www.technoscience.
net/?onglet=news&news=4087
[3] D.M. Eigler, E.K. Schweizer. « Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope ». Nature
n°344, pp 524-526, 1990 : http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/atomo.html#stm10
[4] J.-J. Samueli, « Par delà les nanosciences et les nanotechnologies », Ellipses, octobre 2007

Le livre Prospectic, nouvelles technologies, nouvelles pensées (FYP éditions 2008)


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