Comment fonctionnent les nanomachines ?

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En 1959, lorsque le tout nouveau nobelisé Richard Feynman envisagea la science du futur, on était heureux de croire à ces objets révolutionnaires de la taille des atomes... sans pouvoir s'imaginer ce à quoi ils ressembleraient.
Un demi-siècle plus tard, le nanomonde est devenu familier à des milliers de concepteurs, d'industriels ou d'utilisateurs ; depuis les microprocesseurs jusqu'aux assemblages moléculaires, le champs des nanomachines et de ses applications potentielles semble infini… jusqu'à paraître dépasser les lois de la physique.
Pour appréhender ce potentiel fantastique, qui alimente aussi bien les projets des industriels que les scénarios des auteurs de sciencefiction, Louis Laurent nous convie tout d'abord à un voyage vers l'infiniment petit, où s'exercent forces et lois d'échelle qui bouleversent notre perception d'un environnement de taille humaine ; ce préambule essentiel expliquant les comportements de la matière permettra au lecteur de comprendre les propriétés du nanomonde, et, par delà, celles des nanomachines. Celles-ci sont ensuite présentées, qu'elles soient artificielles (créées par l'homme) ou naturelles (assemblées à partir du vivant) : méthodes de fabrication, règles d'assemblage. Enfin, constatant que nous sommes aujourd'hui au carrefour des univers bio et nanotechnologiques, l'auteur nous conviera à une réflexion prospective sur l'avenir de ce monde infiniment petit.
Publié le : mardi 4 décembre 2012
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EAN13 : 9782759803330
Nombre de pages : 202
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COLLECTIONBULLES DE SCIENCES
LOUIS LAURENT Comment fonctionnent les nanomachines ?
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Comment fonctionnent les nanomachines ?
LOUIS LAURENT
Collection dirigée par FRÉDÉRIC DENHEZ
17, avenue du Hoggar – P.A. de Courtabœuf BP 112, 91944 Les Ulis Cedex A
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Illustration de couverture : Thomas Haessig
Imprimé en France
ISBN-: 978-2-86883-992-3
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les «-copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinés à une utilisation collective-», et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute repré-sentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants er droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal. © EDP Sciences, 2009
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REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier Isabelle Antoine, Véronique Briquet-Laugier, Jean Daillant et Patrice Hesto pour leurs précieux commentaires sur le manuscrit.
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Remerciements
SOMMAIRE
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Introduction.Les frontières du possible................................. De la science à la science-fiction ........................................ Quelles sont les limites du possible ? ..................................
Chapitre 1.Lois d’échelle et forces........................................ La machine à rétrécir ........................................................ Première étape : le palier « 18 millimètres »......................... Deuxième étape : le palier « 18 micromètres » ...................... Troisième étape : le palier « 18 nanomètre » ........................ Quatrième étape : le palier « 18 picomètres » ....................... Fin du voyage ..................................................................
Chapitre 2.Les forces de liaison........................................... Liaisons entre atomes et molécules .................................... Forces capillaires et hydrophobes ........................................
Chapitre 3.Ordre et désordre : du macromonde au nanomondeRappels sur la thermodynamique ......................................... Quelques propriétés du nanomonde .....................................
Chapitre 4.Les nanomachines créées par l’homme................. Du discours de Feynman à la microélectronique ................... Méthodes de fabrication de la microélectronique ................... Les nanosystèmes « mécaniques » ....................................... L’assemblage par les méthodes de la chimie..........................
Chapitre 5.Les nanomachines naturelles............................... Comment est construit le vivant ? ....................................... Construire une cellule........................................................
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SOMMAIRE
Comment comparer les machines artificielles et le monde vivant ? .........................................................
Chapitre 6.Prospective......................................................... La conception de Eric Drexler et la polémique ....................... La filère micronanofabrication actuelle................................. Le vivant......................................................................... Une troisième voie ? ........................................................
Conclusion.........................................................................
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INTRODUCTION
Les frontières du possible
DE LA SCIENCE À LA SCIENCE-FICTION 1 Dans son célèbre discours prononcé au Caltech (Institut califor-nien de technologie) à l’occasion de la réunion annuelle de la Société 2 américaine de physique en 1959, le prix Nobel Richard Feynman exprimait que rien ne s’opposait à ce que l’homme puisse construire des objets d’une taille proche de celle des atomes. Cette capacité s’est aujourd’hui concrétisée à travers le formidable essor de l’industrie des circuits intégrés. C’est ainsi que l’homme a
1.Ce discours est accessible (en anglais) sur le site du Caltech (http://www.its. caltech.edu/~feynman/plenty.html). 2.Richard Phillips Feynman (1918-1988) est né à New York. Il obtient son doctorat à l’université de Princeton en 1942. Il devient professeur de physique théorique à l’université de Cornell en 1945, puis à l’Institut californien de techno-logie à partir de 1959. On doit à ce physicien très prolifique des contributions à la mécanique quantique, la physique de la superfluidité de l’hélium et la physique des particules. Il obtient le prix Nobel de physique en 1965 pour ses travaux en mécanique quantique. C’est également un remarquable pédagogue dont les célè-bresLeçons sur la physiquerestent un ouvrage de référence. À la fin de sa vie, il a participé à la commission d’enquête sur l’accident de la navetteChallenger.
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INTRODUCTION
développé une boîte à outils lui permettant de réaliser des systèmes complexes, comme les microprocesseurs. À l’intérieur de ceux-ci, les opérations élémentaires se font parfois sur des circuits électriques dont la taille se mesure en centaines d’atomes et tels que l’épaisseur des isolants est de moins de dix couches atomiques alors que, rappe-lons-le, quand Feynman prononça son discours, le transistor venait tout juste d’être inventé et était un objet dont la taille était plutôt de l’ordre du centimètre. Les microprocesseurs sont avant tout des circuits électriques, mais on commence à utiliser les techniques mises en œuvre pour leur fabrication dans le but de réaliser autre chose, comme des systèmes mécaniques avec des capteurs ou des « action-neurs » simples. Un actionneur est élément capable « d’agir », par exemple un levier qui se déplace, un miroir qui tourne… Ces systèmes sont encore « gros », puisque leur taille se mesure souvent en dizaines de milliers d’atomes. Certains sont déjà en service, comme ceux qui mesurent les accélérations et servent par exemple à déclencher les air-bags dans les automobiles. Et ils pourraient bien continuer à rétrécir pour se mesurer, eux aussi, en centaines d’atomes. On parlerait alors de « nanomachines », c’est-à-dire de machines dont la taille des pièces se mesurerait en nanomètres (« nano » voulant dire un milliardième, -9 ou 10 ). En parallèle à ces développements scientifiques, des idées plus pros-pectives se sont développées. Un concept particulièrement spectacu-laire est celui des assembleurs, inventé par l’américain Eric Drexler. Ce chercheur américain, surtout connu pour ses travaux de prospective, s’est intéressé dès les années 1980 à la possibilité de construire des machines moléculaires en s’inspirant des idées de Feynman et du fonctionnement du vivant. Eric Drexler publia en 1986 un livre intitulé 3 Engins de création, ouvrage qui eut un retentissement considérable dans
3.Édition originaleEngines of creation – The coming era of nanotechnology, Anchor Books, New York, 1986 ; traduction françaiseEngins de création, Vuibert, Paris, 2005.
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LES FRONTIÈRES DU POSSIBLE
la communauté qui gravitait autour des nanotechnologies, décideurs, penseurs, public intéressé par les sciences et une partie des chercheurs. Eric Drexler y développa longuement les conséquences qu’aurait selon lui le développement de techniques d’assemblage à l’échelle molécu-laire. Il évoqua ainsi des machines microscopiques capables de tirer de leur environnement l’énergie et les matières premières qui leur sont nécessaires. Drexler imagina le cas de machines suffisamment com-plexes pour pouvoir se reproduire en consommant, dans le cas d’une évolution catastrophique, la croûte terrestre. D’autres auteurs pour-suivirent cette vision du contrôle de la matière grâce à des myriades de machines microscopiques, comme John Storrs Hall qui, dans son 4 essaiNanofuturen 2004, décrivit sa vision prospective d’un publié «utility fog». Il s’agit d’un brouillard composé de petits robots accro-chés ensemble par des bras et capables sur commande de simuler les propriétés mécaniques ou optiques de presque tout. Par exemple, ce brouillard peut se matérialiser en un objet (peu dense mais solide) ou créer des images 3D animées. Un genre parfois proche de la prospec-tive est la science-fiction et, là encore, le thème des nanomachines est apparu porteur. On peut citer le roman de Neal StephensonL’âge de 5 diamant, ouvrage qui met en scène des machines capables d’assem-bler des objets de la vie de tous les jours, molécule par molécule, ou des myriades de petits systèmes invisibles et autonomes se déplaçant aussi bien dans l’air qu’à l’intérieur du corps. Un autre exemple est 6 le romanLa proiede Michael Crichton, également auteur deJurassic Parc, ouvrage dont l’un des protagonistes est un essaim meurtrier de minuscules machines capables d’apprendre et de s’adapter. Enfin, plus récemment, la série américaineJake 2.0en scène un technicien met
4.Nanofuture. What’s next for nanotechnology, Prometheus Books, New York, 2005. 5.Édition originaleThe diamond age, Bantam Spectra Books, 1995. Traduction française publiée en livre de poche, 1998. 6.Édition originale, «Prey», Harper Collins Publishers, New York, 2002. Traduction française chez Robert Laffont, 2003.
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