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ALCIMED Nanotechnologies : prospective sur la menace et les opportunités au service du combattant ETUDE ALCIMED - CEA Avril 2004 Le contenu de cette éude n'engage que son auteur Nanotechnologies au service du combattant du futur Ministère de la Défense/DAS SOMMAIRE SOMMAIRE............................................................................................................. 2CONTEXTE ET OBJECTIFS DE L'ETUDE..................................................... 4METHODOLOGIE DE L'ETUDE ........................................................................ 5RESUME ET RECOMMANDATIONS............................................................... 6CHAPITRE A : ETAT DE L’ART DES NANOTECHNOLOGIES DANS LE MONDE.................................................................................................................. 11A- I) Définition des nanotechnologies 11A- II) Panorama des nanotechnologies dans le monde................................... 13A- II a) Financements accordés aux nanotechnologies..................................... 13A- II b) Etat de l’art de la propriété intellectuelle sur les nanotechnologies........ 14A- II c) Acteurs positionnés sur le domaine des nanotechnologies ................... 15A- II d) Etat des lieux des nanoproduits actuels et en développement .............. 22A- III) La question des risques liés aux nanotechnologies ...................... ...
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Nanotechnolo ies : ros ective sur la menace et les opportunités au service du combattant
ETUDE
ALCIMED CEA -
Avril 2004 Le contenu de cetteéuden'engage que son auteur
Nanotechnologies au service du combattant du futur Ministère de la Défense/DAS
SOMMAIRE
SOMMAIRE............................................................................................................. 2
CONTEXTE ET OBJECTIFS DE L'ETUDE..................................................... 4
METHODOLOGIE DE L'ETUDE........................................................................ 5
RESUME ET RECOMMANDATIONS............................................................... 6
CHAPITRE A : ETAT DE L’ART DES NANOTECHNOLOGIES DANS LE MONDE.................................................................................................................. 11 A- I) Définition des nanotechnologies............................................................... 11 A- II) Panorama des nanotechnologies dans le monde................................... 13 A II a) Financements accordés aux nanotechnologies .....................................13 -A- II b) Etat de l’art de la propriété intellectuelle sur les nanotechnologies........14 A- II c) Acteurs positionnés sur le domaine des nanotechnologies ...................15 A- II d) Etat des lieux des nanoproduits actuels et en développement ..............22 A- III) La question des r’isques li’és aux nanotechnologies............................. 24 A- IV) Conclusion sur l état de l art des nanotechnologies............................. 26 CHAPITRE B : BESOINS MILITAIRES EXPRIMES ET APPLICATIONS POTENTIELLES DES NANOTECHNOLOGIES POUR LE COMBATTANT..................................................................................................... 28 B- I) Programmes militaires en cours................................................................ 28
B- II) Sélection des applications prioritaires des nanotechnologies pour le Combattant.......................................................................................................... 31 CHAPITRE C : ANALYSE FINE DES APPLICATIONS PRIORITAIRES RETENUES PAR LE COMITE DE PILOTAGE............................................ 33 C- I) Nanotechnologies pour le textile............................................................... 33 C- I a) Textile technique et nanotechnologies ...................................................33 C- I b) Savoir-faire de la France dans le domaine du textile technique .............34 C- I c) Opportunités ouvertes par les applications militaires ..............................36 C- II) Nanotechnologies pour les capteurs chimiques et biologiques........... 37 C- II a) Capteurs chimiques / biologiques et nanotechnologies......................... 37 C- II b) Savoir-faire de la France dans le domaine des capteurs chimiques biologiques........................................................................................................ 39 C II c) Opportunités ouvertes par les applications militaires.............................. 40 C- III) Nanotechnologies pour les batteries et les piles à combustible.......... 41 C- III a) Contexte............................................................................................... 41 C- III b) Sources d’énergie et nanotechnologies................................................ 42 C III c) Savoir-faire de la France dans le domaine des batteries et piles à -combustible....................................................................................................... 44
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Nanotechnologies au service du combattant du futur Ministère de la Défense/DAS
C- III d) Opportunités ouvertes par les applications militaires............................ 45 C- IV) Nanotechnologies pour les cellules photovoltaïques souples............. 47 C- IV a) Contexte............................................................................................... 47 C- IV b) Cellules photovoltaïques et nanotechnologies..................................... 47 C- IV d) Savoir-faire de la France dans le domaine du photovoltaïque............. 48 C- IV e) Opportunités ouvertes par les applications militaires........................... 48 C- V) Premières conclusions............................................................................. 49 CHAPITRE D : QUELLE POLITIQUE « NANOTECHNOLOGIES » FAUT-IL METTRE EN PLACE ?...................................................................... 50 D- I) La situation actuelle de la France en nanotechnologies......................... 50 D- I a) Opportunités des nanotechnologies pour le soldat du futur.................... 50 D- I b) Difficultés potentielles à l'implantation des nanotechnologies................ 51 D- I c) Points forts de la France......................................................................... 51 D- I d) Améliorations à apporter........................................................................ 52 D- I e) Conclusions............................................................................................ 53 D- II) Recommandations globales pour le Ministère de la Défense................ 54 D- II a) Une politique de recherche ambitieuse dans le domaine des nanotechnologies.............................................................................................. 55 D- II b) Une politique de soutien au tissu industriel........................................... 59 D- II c) Un volet formation.................................................................................. 61 D- II d) Une communication efficace et juste..................................................... 61 D- II e) Synthèse................................................................................................ 61 D- III) Recommandations pour le Ministère de la Défense appliquées aux secteurs de l étude.............................................................................................. 63 ’ D- III a) Etre proactif dans le domaine du textile technique............................... 63 D- III b) Etre ambitieux dans le domaine des capteurs chimiques / biologiques65 D- III c) S’impliquer fortement dans les développements effectués dans les domaines des batteries et des piles à combustible........................................... 66 D- III d) Surveiller les développements effectués dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques.............................................................................. 67 CONCLUSIONS................................................................................................... 68
ANNEXES.
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Nanotechnologies au service du combattant du futur Ministère de la Défense/DAS
CONTEXTE ET OBJECTIFS DE L'ETUDE
Depuis plusieurs années, les nanotechnologies représentent un axe fort d’innovation soutenu par des investissements gouvernementaux et industriels de plusieurs centaines de millions de dollars. Dans le secteur militaire, les nanotechnologies sont également étudiées et devraient être à l’origine de nouvelles ruptures technologiques. Les Etats-Unis jouent notamment un rôle moteur dans ce secteur comme le montrent le budget de 322 millions de dollars accordé spécifiquement au Department of Defense sur le sujet pour l’année 2003, ou encore la création en 2002 de l’Institute for Soldier Nanotechnology (ISN). L’ISN a pour but d’évaluer l’impact des nanotechnologies pour améliorer la protection et la survie des soldats américains. Un enjeu majeur pour la France, et plus largement pour l'Europe, est donc aujourd'hui d'adopter une politique efficace pour le soutien à l'innovation dans le domaine des nanotechnologies afin de favoriser le développement des équipements de ses propres combattants. C’est pourquoile Ministère de la Défense a souhaité identifier les opportunités et les menaces qu'offrent les nanotechnologies pour le combattant du futur, en vue de mettre en place la politique de soutien la plus adaptée et de lancer les développements nécessaires associés. L’objectif de l’étude « Nanotechnologies : prospective sur la menace et les opportunités au service du combattant du futur » est donc d’apporter des éléments de réponse et d’aider le Ministère de la Défense dans cette démarche. Le champ de l’étude concernera l’ensemble des nanotechnologies au sens large, c’est-à-dire des objets ayant des dimensions caractéristiques inférieures à 100 nm. L’accent sera plus particulièrement mis sur les applications et/ou technologies innovantes sources de rupture. A ce titre, les nanotechnologies issues d’une logique de miniaturisation pure (fabrication de microprocesseurs, développement de puces à ADN) seront mentionnées mais non développées.
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METHODOLOGIE DE L'ETUDE Afin de répondre aux objectifs définis par le Ministère de la Défense, l’étude proposée s’est déroulée en 3 phases (Figure 1).
Phase 1: État des lieux des• dets iesaurlee itacilpp snoPama dnoranatosen logocenh nanotechnologies au t afinition des attentes actuelles et prospectives•mbcotaat dntuf u rutéDp rarppro •Sélection des nanotechnologies les plus Sélection des applicationsprometteuses pour y répondre prometteuses Évaluation desPhase 2: applications les•Evaluation de l’intérêt et de la maturité plus prometteusestechnique des nanotechnologies pou pour le combattantchaque application sélectionnée du futur•Analyse des enjeux économiques et des dynamiques de développement pour chaque application Phase 3: •Synthèse sur la position de la France su chaque application Proposition de recommandations sur la • politique de soutien à l’innovation à envisager pour le combattant du futur
Synthèse et recommandations pour la conduite de la politique de soutien à l'innovation
Figure 1 : déroulement de l’étude commandée par le Ministère de la Défense Pour réaliser cette étude, les moyens suivants ont été mis en œuvre : Analyse technico-économique documentaire Sources : bases de données internes et bases spécialisées brevets, projets et études (INPI, OEB, Cordis, NSF, DARPA, One Source, Current Contents, Business&Industrie
) ; publications sur le sujet (Nanotechnology Opportunity Report
) ; sites Internet et journaux spécialisés (Nanotechnology Now, MicroNano Newsletter
). Interviews d’une vingtaine d’experts scientifiques et d’une quarantaine d’acteurs industriels pour compléter et valider les informations obtenues.
d’une réunion de brainstorming avec huit experts militaires desOrganisation trois corps d’armée (terre, air, marine) pour identifier et hiérarchiser les besoins auxquels les nanotechnologies pourraient répondre.
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Nanotechnologies au service du combattant du futur Ministère de la Défense/DAS
RESUME ET RECOMMANDATIONS
Depuis plusieurs années, les nanotechnologies représentent un axe fort d’innovation. Suite à la mise en place d’actions spécifiques dans le secteur militaire (ex : création en 2002 de l’Institute for Soldier Nanotechnology aux Etats-Unis), le Ministère de la Défense a souhaitéidentifier les opportunités et les menaces qu'offrent les nanotechnologies pour le combattant du futur, en vue de mettre en place la politique de soutien la plus adaptée et de lancer les développements nécessaires associés. Pour réaliser cette étude, différents syon’em n bibliographiqu’es été m ont’is en œuvre complétés par l’ e uinterrogation d soixantaine d experts et d industriels et européens du domaine des français nanotechnologies.
Panorama des nanotechnologies dans le Monde Les nanotechnologies peuvent être définies comme l’ensemble des objets de dimensions inférieures à 100 nm et des outils permettant de manipuler, synthétiser, caractériser et modéliser ces objets à l’échelle nanométrique. Aujourd'hui, nous ne sommes encore qu'au début de l'ère des nanotechnologies. Hormis des produits historiques comme la silice et le noir de carbone, seuls quelques nouveaux nanomatériaux ou nanocomposants développés dans unelogique « nano-inside » (intégration d’une dimension ou d’un élément nano dans un objet) sont actuellement sur le marché. Citons par exemple lesfiltres solaires base de nanoparticules de TiO à2, lesverres auto-nettoyants, les catalyseursnanostructurés ou encore lesdernières générations de circuits intégrés. Mais les nanotechnologies sont depuis quelques année’s au cœur de l'i’nnovation, avec dessoutiens financiers provenant d institutionnels, d industriels et de capitaux-risqueurs. Au niveau mondial, ces investissements ont quadruplé en quatre ans passant de 1 milliard de dollars en 1997 à plus de 4 milliards de dollars en 2001. Ces efforts financiers se traduisent aujourd’hui par uneactivité foisonnante en recherche et développementqui peut être organisée autour de huit axes, principaux : lesmatériaux structuraux, lessystèmes de filtration/séparation, les capteurs, lessources d'énergie, lesobjets communicants, lessystèmes médicaux, l'eéelctroniquet lesunités fonctionnelles. Par ailleurs, afin de faciliter le transfert de ces activités de recherche et développement vers l’industrie,les Etats-Unis ont déjà mis en place une politique de valorisation agressive un grand nombre de brevets déposés et des avec investissements massifs des capitaux risqueurs ce qui permet la création de nombreuses start-up.
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Situation de la France en nanotechnologies La France est un pays leader en nanotechnologies grâce à uneimplication historique des Universités, du CNRS et du CEA. Aujourd’hui, ce savoir-faire en nanotechnologies est soutenu pares ar ldifféren settinii’tai sevsemiens la p pce Ministères de la Recherche, de l Industrie et de la Défense, les Collectivités Territoriales et les Centres de Recherche Publics. En particulier, la recherche française dans le domaine des nanotechnologies peut s’appuyer sur l’Action Concertée Incitative Nanosciences, leRéseau des Micro et Nanotechnologies, lesquatre grandes centrales technologiques les moyens lourds de regroupant recherche en nanotechnologies (CEA/LETI, CNRS/LAAS, CNRS/IEMN et CNRS/IEF+LPN), l’Observatoire des Micro et Nanotechnologies assure une qui veille technico-économique sur le domaine, le fonds d’amorçageEMERTEC 2, ou encore la création du pôle d’innovationCETANIM, qui regroupe sur un même site recherche, formation et valorisation industrielle
Par ailleurs, la France dispose d’un tissu industriel performant la pour production de nanoproduits avec des acteurs comme ATOFINA, RHODIA, SAINT GOBAIN ou encore ST MICROELECTRONICS. Cependant les moteurs de la réussite de la R&D en nanotechnologies reposent sur lerenforcement de la coordination et de la structuration des actions et l’amélioration des transferts technologiques, qui s’échelonnent du dépôt debrevetsau soutien de start-up. La mise en place d’une politique prenant en charge ces dernières actions parait essentielle pour préserver le leadership de la France en recherche et développement.
Impact des nanotechnologies pour le combattant du futur Les nombreuses activités de R&D sur les nanotechnologies aboutiront pour le combattant du futur à une rupture capacitaire. Au regard des fonctions « protection , soutien » et « mobilité » prioritaires » « pour le combattant français1, trois axes de R&D ont été identifiés en priorité dans le domaine des nanotechnologies :l'amélioration du textile(pour l'uniforme du combattant),le développement de capteurs chimiques/biologiques et l'amélioration des sources d'énergie (batteries/piles à combustible, cellules photovoltaïques). Dans le secteur des textiles techniques,les nanotechnologies permettront l'obtention de textiles fonctionnels utilisables à court ou moyen terme la pour fabrication de l'uniforme du combattant comme des textiles anti-bactériens/anti-UV, des vêtements résistant aux impacts ou à la déchirure, des textiles faisant barrière aux rayonnements électromagnétiques
A plus long terme, les nanotechnologies pourront être utiliséespour développer une nouvelle génération de textiles intelligents, reconfigurables et s’adaptant à leur environnement, incorporant des capteurs et leur système de gestion électronique
1fonctions retenues par le comité de pilotage de l’étude 7
Nanotechnologies au service du combattant du futur Ministère de la Défense/DAS
Pour les capteurs chimiques/biologiques,les nanotechnologies sont prometteuses pour la lutte NBC. Elles seront à l’origine de l’amélioration de la sensibilité et de la sélectivité des capteurs, de laminiaturisation des systèmes de détection et de ladiminution des coûts de production. De tels capteurs développés à l’origine pour le militaire pourront également avoir des impacts dans le secteur de la protection civile. Mais ces capteurs « nano » sont encore au stade de la recherche. De ce fait, les premiers capteurs chimiques/biologiques i’ncorporant des nanotechnologies devraient êtredisponibles au niveau industriel d ici cinq à huit ans. Dans le secteur des mini et micro-batteries et des piles à combustible,les nanotechn’ologies permettront un allègement et une miniaturisation des sources d énergie en augmentant leur toutimeoton’ua. Les nanotechnologies p’également avoir une incidence au niveau deourront l intégration de la source d énergiedans le système combattant. Lesperspectives de commercialisationde ces sources d’énergie à base de nanotechnologies promettent d’êtreà court et moyen terme à trois ans pour les batteries (deux cinq à huit ans pour les piles à ; combustible). Enfin, lesroaginuqatqïeu sphotovolellules ces’pourront vraisemblablement être utilisées comme appointune source énergétique d mais après delongs développementsd'améliorer leur rendement et leur durée(dix ans) et à la condition de vie. Ces cellules photovoltaïques pourraient dès lors être directement intégrées dans l’uniforme du combattant.
Actions à mettre en place par le Ministère de la Défense Les potentialités offertes par les nanotechnologies appellent unengagement fort du Ministère de la Défensequi doit agir à deux niveaux en mettant en place : unepolitique de recherche ambitieuse dans le domaine des nanotechnologies unepolitique de soutien au tissu industriel La mise en place de ces actions doit aussi être accompagnée : d’un voletformation, d’unecommunicationefficace et juste. Toutes ces actions sont à meneren complémentarité et en combinaison avec celles du Civil.
1) Politique de recherche ambitieuse dans le domaine des nanotechnologies a) Capitaliser sur les solutions existantes La première action à mener à court terme par le Ministère de la Défense est de capitaliser sur les innovations déjà étudiées dans les laboratoires. Pour cela,le Ministère de la Défense doit au préalable définir clairement son besoin. Puis un audit exhaustif des solutions en développementau niveau R&D devra être réalisé. Ensuite, il s'agira de mettre en place desprogrammes thématiques
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Nanotechnologies au service du combattant du futur Ministère de la Défense/DAS
orientés produits. Ces’ programmes s’appuieront sur descahiers des charges clairs et précis afin d obtenir, à court terme, des solutions pertinentes aux besoins du secteur militaire technique, capteurs, sources d'énergie,
). (textile Ces programmes devront réunir desacteurs académiques etniudle stsir européenspour mener à bien ces projets. b) Mettre en place un programme de recherche ambitieux Pour générer des ruptures et lever des barrières technologiques comme c'est notamment le cas dans le domaine des capteurs chimiques/biologiques, le Ministère de la Défense doit aussi travailler àla mise en place d'un programme de recherche ambitieux donnant une visibilité à long terme. La dualité des nanotechnologies les moyens à déployer impliquent que et cette action soit réalisée enpartenariat avec les Ministères de la Recherche et de l'Industrie. Ce programme devra s’appuyer sur une structure publique comme une "agence des nanotechnologies" programmera, coordonnera et financera qui l'ensemble des actions menées dans ce domaine et ceci à deux niveaux : un programme derecherche fondamentale de développer des afin nanotechnologies génériques desprogrammes orientés produitsque le textile, les capteurs ou encoretels les batteries capitalisant sur la recherche fondamentale effectuée. Pour cela, cette "agence des nanotechnologies" devra s'appuyer sur les centrales technologiques pluridisciplinaires déjà existantes et renforcer leurs moyens. De même, elle devra organiser et renforcer lesmoyens de veille technico-économiques déjà en place sur les nanotechnologies comme l’OMNT, afin d’identifier les technologies de rupture et de suivre les développements réalisés dans les autre’s pays. Par ailleurs, la réussite de ce programme sera liée à l‘ européens industrielsimplication d. Ainsi, la présence d'acteurs leaders sera assurée sur l'ensemble de la chaîne de valeur.
2) Politique de soutien au tissu industriel a) Soutenir et motiver les industriels présents Afin de capitaliser sur le savoir-faire existant des industriels français et favoriser l’innovation, il est crucial depermettre aux PME d'accéder aux nanotechnologiesBien que des aides existent déjà, notamment au niveau de. l'ANVAR,il est nécessaire de renforcer ces efforts et d'imaginer des solutions alternatives. Ministère de la Défense doit mener cette action en priorité dans le Le secteur textile poursoutenir les PME et les start-up les plus innovantes, mais aussi dans les secteurs des capteurs et des sources d’énergie embarquée. b) Préparer l’émergence de nouveaux leaders technologiques De plus, pour que le tissu industriel soit toujours présent et dynamique, il est impératif que la valorisation de la recherche soit efficace ceci età plusieurs
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niveaux. nombre de Lebrevets doit être plus important. L'action des déposés cellules de valorisation doit être renforcée. Enfin, il faut renforcer la présence de fonds d'investissement publics, ces derniers étant les seuls à avoir la capacité d'investir sur une longue période dans des projets à risque.
3) Actions d’accompagnement a) Outils de formation Pour que cette politique globale soit pleinement efficace, le Ministère de la Défense, en concertation avec les autres Ministères, devra égalementelévdpoep r les outils de formation: Un cycle deformation universitaire dédié aux nanotechnologies, qui décloisonne les disciplines universitaires classiques. Un cycle deformation continue les nanotechnologies à destination des sur chercheurs, ingénieurs et techniciens afin de faciliter le transfert technologique. Quelques formations sont déjà en place aujourd’hui dans le domaine des nanotechnologies, comme par exemple celles proposées par l’INSA Toulouse, l’Université de Paris-Sud ou l’INPG Grenoble, mais ces dernières devront être renforcées. b) Communication efficace et juste sur les nanotechnologies Une communication claire, objective et pragmatique devra être développée pour faire accepter les nanotechnologies aussi bien par les industriels que par le grand public. Par ailleurs, la question de l'Hygiène Sécurité Environnement devra être étudiée.
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CHAPITRE A : ETAT DE L ART DES NANOTECHNOLOGIES ’ DANS LE MONDE
A- I) Définition des nanotechnologies Le terme « nanotechnologies » couvre la création et l’utilisation de matériaux, de structures, de dispositifs ou de systèmes à travers le contrôle de la matière à l’échelle nanométrique (10-9m). Plus généralement, le monde des nanotechnologies rassemble, d’une part, l’ensemble des objets ayant des dimensions inférieures à 100 nm et, d’autre part, les outils associés de fabrication, manipulation, caractérisation et modélisation à l’échelle nanométrique.
Top-Down : Méthode collective Microélectronique (microprocesseurs, mémoires,
) Puce à ADN 100 nm Nano-inside : Améliorer les propriétés/systèmes ou Obtenir de nouvelles propriétés/systèmes en intégrant une dimension ou des éléments de taille nanométrique Bottom-up Nanomatériaux (nanoparticules,Obtenir de nouveaux systèmes nanocomposites, revêtement,
) NanobiotechnologiesNanomachines Nanoélectronique (nanodots de silicium pourNanorobots mémoires, nanotubes de carboneComposants moléculaires interconnections
) Figure 2 : Les différentes approches développées en nanotechnologies En terme de mise en œuvre, deux voies technologiques ont été développées (Figure 2) : L’approchetop-down pour macro ». Elle consiste à fractionner la matière « faire des produits à l’échelle du nanomètre. Cette approche se positionne dans la logique actuelle, observée au niveau industriel de la miniaturisation, L’approchebottom-up. Elle consiste en la manipulation et l’assemblage d’éléments de taille nanométrique pour réaliser l’objet désiré. C’est une approche qui vise à organiser la matière, atome par atome. Au carrefour de ces deux approches, se trouve le concept de «Nano-inside», l’essence même des nanotechnologies aujourd’hui. Ce dernier représente le fait d’améliorer les propriétés existantes ou d’obtenir de nouvelles propriétés en incorporant une dimension ou des éléments nanométriques dans un objet (par exemple : un dépôt ou une gravure nanométrique, l’incorporation de nanoparticules ___________________________________________________________________ 11
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