ParisTech Review

La recherche a commencé depuis des années, mais les chercheurs s’interrogent encore pour savoir ce que sont exactement les nanosciences : une étape de plus dans une progression continue, en somme une simple miniaturisation, ou bien une rupture dans l’histoire des sciences ? Jean-Philippe Bourgoin, directeur du programme transversal nanosciences au CEA (un sigle qui signifie désormais Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives), a choisi : « Les nanosciences ne sont pas une rupture ou une révolution au sens épistémologique, car elles ne s’appuient sur aucune loi nouvelle, qu’elle soit physique, chimique ou biologique ». Un jugement qui ne retire rien à l’importance des nanosciences. Celles-ci permettent de maîtriser la matière à la dimension nanométrique (50 000 fois plus petit qu’un cheveu), qui est précisément l’échelle des phénomènes clés que les chercheurs cherchent à décrypter, comme par exemple la structuration des constituants de la cellule.

Ce n’est pas à proprement parler la dimension qui est nouvelle. Le nanomètre, c’est la taille des molécules. Les chimistes, qui travaillent en permanence à cette échelle, savent depuis longtemps qu’une réaction chimique débouche sur des résultats différents selon qu’on la provoque à l’air libre ou en espace confiné, par exemple un espace de dimension nanométrique. La nouveauté, c’est la capacité de fabriquer à l’échelle industrielle des objets de cette taille. Car l’homme et la nature n’ont pas attendu ce siècle pour utiliser des nanoparticules. On en trouve dans la teinture dont les Egyptiens recouvraient leurs cheveux, dans les épées de Damas ou dans l’argent qui donnait leur teinte irisée à certains vitraux d’églises. Sans oublier les « nanocils » qui protègent les nénuphars de la poussière.

Les nanoparticules manufacturées sont déjà présentes dans de nombreux objets. Sur la table du repas, en particulier dans les billes de silice qui empêchent le sel de coller, ou dans les emballages alimentaires. En cosmétologie, les crèmes solaires contiennent du dioxyde de titane nanométrique, lequel sert aussi dans le revêtement des murs pour obtenir des surfaces autonettoyantes et absorbant les impuretés de l’atmosphère. Les produis textiles utilisent parfois des nanotechnologies antibactériennes, comme les nanoparticules d’argent présentes dans les chaussettes. Les pneus, les raquettes et les balles de tennis, les clubs de golf abritent des nano éléments. Le groupe Saint-Gobain est en pointe sur les vitrages intelligents dont les nanomatériaux changent de couleur en fonction de la lumière. Sur les voitures de luxe, les peintures anti rayures ou auto réparatrices sont elles aussi nano augmentées, comme les pare-chocs qui reprennent leur forme après un accident. Quand aux militaires, très friands de nanotechnologies, ils travaillent sur des vêtements furtifs, des capteurs permettant de protéger le soldat, des drones miniatures de la taille d’une abeille et des « poussières intelligentes » capables de transmettre des informations sur le champ de bataille.

Et demain ? En 2010, il existe au moins trois grandes raisons de chercher à maitriser la structure de la matière à cette échelle du millionnième de millimètre.

La première, c’est la nécessité de produire de l’énergie sous une forme adaptée à la raréfaction des matières premières. Les nanotechnologies jouent à cet égard un rôle essentiel, par exemple pour perfectionner les cellules photovoltaïques. C’est en effet à l’échelle nanométrique que se produit la séparation de charge au moment où un photon frappe la cellule. Dans une cellule normale, seuls quelques photons sont transformés en énergie, ceux dont l’énergie est proche de celle de la « bande interdite », d’où un rendement médiocre. En revanche, une cellule « à couches minces » constituée d’un empilement (tandem) de couches nanométriques de bandes interdites différentes permettra de capter tous les photons, avec un rendement considérablement augmenté. Selon Jean-François Hochepied, responsable de laboratoire au centre Energie et Procédés de Mines-ParisTech, « les nanomatériaux offrent également de bonnes pistes pour développer la filière hydrogène : ils peuvent être exploités dans la production propre d’hydrogène (photolyse et photoélectrolyse), le stockage d’hydrogène dans des matériaux nanostructurés et la conversion en électricité pour les piles à combustible ».

A propos de la sécurité des approvisionnements énergétiques, mentionnons un autre défi : les terres rares, composants essentiels dans de nombreux produits High tech comme les téléphones portables, les turbines à vent, les batteries des moteurs hybrides ou certains missiles. Aujourd’hui, 97 % de ces terres rares (Scandium, Lanthane, Gadolinium, etc) sont produites en Chine, qui en est aussi une consommatrice de plus en plus gourmande. En 2010, on estime qu’il manquera dans le monde 10 000 tonnes de terres rares et que ce « gap » va aller croissant. Grâce aux nanotechnologies, on cherche à adapter la structure électronique de nano-objets fabriqués à partir des métaux plus abondants (fer, nickel, cobalt) de manière à leur conférer certaines propriétés des terres rares. Dans le même esprit, il faut trouver des solutions de substitution au platine, dont la rareté bride le développement industriel des piles à hydrogène. En imitant les processus à l’œuvre dans certains organismes vivants (réaction d’oxydoréduction de l’hydrogène dans les enzymes, hydrogénase par exemple) et qui se contentent de synthétiser des catalyseurs à base de métaux ordinaires, des chercheurs du CEA, du CNRS et de l’université Joseph Fourier de Grenoble ont recréé un catalyseur presque aussi efficace que le platine, à base de nanotubes de carbone et de complexes de Nickel.

L’autre grand domaine que les nanotechnologies peuvent bouleverser, c’est la santé publique, impactée par le vieillissement, les maladies émergentes et la résistance aux antibiotiques. Grace aux nanotechnologies, il sera bientôt possible de soumettre un malade à un traitement puissant, tout en minimisant les effets secondaires. La chimiothérapie cessera d’être une agression massive et globale sur l‘organisme pour devenir une « opération commando » ultra précise. Le principe actif sera administré localement et efficacement, directement sur une cellule cancéreuse, en évitant une réaction du système immunitaire. Un progrès gigantesque pour le patient.

Patrick Couvreur, professeur au Collège de France, explique comment l’entrée dans le nanomonde modifie certaines propriétés de manière radicale : « Quand j’étais étudiant à l’université catholique de Louvain, il y a quarante ans, on nous expliquait qu’administrer une suspension de particules par intraveineuse tuerait à coup sûr le patient en causant une embolie. Aujourd’hui, avec les nanoparticules, c’est le contraire, on le recommande ». On pourra bientôt créer de véritables usines à l’échelle cellulaire. Elles produiront par exemple des nanoparticules répliquant certaines lipoprotéines, capables de franchir la barrière hémato-encéphalique et de passer au niveau cérébral pour y déverser un médicament avec une précision extrême. Car les capteurs du nano-médicament (un transporteur de 100 nanomètres) « reconnaîtront » ceux de la barrière, alors que les nanoparticules non marquées ne passeront pas.

Et maintenant, la question économique : combien pèsera le « nano business » ? Aujourd’hui, les produits incluant des nanomatériaux sont assez nombreux, mais le nombre de nanoparticules fabriquées à l’échelle industrielle est inférieur à 20. Ce qui n’empêche pas le « buzz » du secteur, dont l’origine est un rapport publié en 2001 par la National Science Foundation de Washington, d’affirmer que les produits issus des nanotechnologies génèreront un marché planétaire de 1000 milliards de dollars en 2015 ! Dix millions d’emplois pourraient être créés d’ici à 2014 tandis que les produits intégrant des nanotechnologies représenteraient à terme 15 % de l’ensemble des biens commercialisés.

Mais faute d’une définition communément admise des nanotechnologies, ces prévisions, qui dépassent même 3000 milliards de dollars selon le cabinet de conseil Lux Research (pour 2008, le chiffre d’affaires total est estimé par ce cabinet à 238 milliard de dollars), sont très controversés. Les acteurs ne s’entendent pas sur ce qu’est le périmètre pertinent. Tout est mélangé, pas toujours involontairement, avec à la clef des chiffres très « photogéniques ». Les produits nano augmentés sont comptabilisés avec les nanoparticules. En outre, on confond souvent les technologies qui sont ultra miniaturisées, dites descendantes, et les vraies nanotechnologies, les « montantes », qui consistent à construire des machines infiniment petites en assemblant des atomes entre eux. Ce marché là, certes immensément prometteur et révolutionnaire, il est impossible d‘en connaître le potentiel actuel ou futur car les études disponibles ne l’isolent pas du reste. Pour Eszter Toth, de l’Université d’Amsterdam, le secteur souffre paradoxalement de l’engouement qu’il suscite : « Les médias jouent de l’incertitude sur les chiffres, un flou qui leur permet de faire passer un phénomène scientifique encore très informe pour un marché unifié, structuré, sur lequel il faudrait investir d’urgence ».

Dans la grande aventure nano technologique, qui fait la course en tête ? Selon la communauté scientifique, l’ordre est le suivant : Etats-Unis, Asie, Europe. Le cabinet Cientifica donne pour 2009 un classement différent : UE (27% des investissements), Russie (23 %), Etats-Unis (19%), Japon (12%), Chine (11%), Corée (4%). En Europe, on fait beaucoup de recherche, avec à la clé de nombreuses publications dans les grandes revues scientifiques, mais on peine à les transformer en brevets, faute d’une bonne coordination entre les centres de recherche et les entreprises. Par exemple, rappelle Alain Costes, chargé de la mission NanoInnov, la France, où environ 7000 chercheurs travaillent dans ce secteur, revendique 6,7 % des publications mais seulement 1,8 % des brevets. Alors que la Corée du Sud, qui ne peut se prévaloir que de 2 % des publications, est propriétaire de 7 % des brevets et donc d’une part nettement plus grande du potentiel industriel.

L’exploration de la nouvelle frontière va surtout imposer une révolution des méthodes. Jean-Philippe Bourgoin explique : « Les nanotechnologies provoquent une réorganisation radicale de la recherche et de l’innovation, à cause des investissements nécessaires ». En nanoélectronique, par exemple, mettre au point les futurs applicatifs dépasse largement les capacités financières des organismes de recherche ou des industriels pris séparément, à la notable exception de l’Américain Intel et du Coréen Samsung. Les autres grands acteurs du secteurs sont regroupés sous l’ombrelle de l’« IBM Technology Alliance », dont le laboratoire d’électronique des technologies de l’information (Leti, CEA) de Grenoble) est un partenaire, une affiliation qui donne au Leti accès à ce qui se fait mieux dans le monde en matière de recherche et lui permet de contribuer à ces avancées. Dans le nanomonde, pas de percées solitaires. Les réseaux de recherche feront la différence. Les meilleures coalitions l’emporteront.

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