Les Nanosciences au cœur des Technologies Convergentes

Salon Mesurexpo, Paris-Expo, Porte de Versailles, Mercredi 28 septembre 2005

Introduction

Roger Maynard (Société Française de Physique),Ariel Levenson (Centre de Compétence Nanosciences Ile-de-France), Jean-Louis Robert (Ministère délégué à l’Enseignement supérieur et à la Recherche, Direction de la Recherche)

Les technologies à l’échelle de l’atome et de la molécule

Gérald Dujardin , Laboratoire de Photophysique Moléculaire, Orsay

De nouvelles technologies, fondées sur la manipulation d’atomes et de molécules individuels, sont en train de naître. La manipulation d’atomes individuels a conduit récemment au développement de circuits logiques fonctionnant à partir de commutateurs atomiques à conductance quantique. D’autre part, le contrôle électronique des mouvements d’une molécule individuelle a confirmé récemment la possibilité de réaliser de véritables nano-machines moléculaires permettant d’intégrer dans une seule molécule diverses fonctions de calcul, de moteur ou de capteur chimique.

L'électronique à base de nanotubes de carbone

Vincent Derycke, CEA Saclay, DRECAM/SPEC, LEM

Les propriétés physiques des nanotubes de carbone, qu'ils soient métalliques ou semiconducteurs, en font des candidats idéaux pour des applications en électronique. La quasi-totalité des composants (diodes, transistors à effet de champ, SETs, portes logiques, etc.) ont pu être fabriqués à partir de nanotubes individuels. Aujourd'hui, l'un des enjeux majeurs du domaine est de dépasser le stade des démonstrations de faisabilité et de donner à ces dispositifs prototypes une réelle crédibilité par rapport aux technologies classiques de l'électronique et aux autres technologies émergentes. Dans cet exposé, je présenterai l'état d'avancée de l'électronique à base de nanotubes en insistant sur les progrès les plus récents en termes de performances et d'intégration.

Voyage dans le nanomonde des aimants

Wolfgang WernsdorferCNRS, Laboratoire Louis Néel

Dans notre vie de tous les jours nous utilisons très souvent des aimants sans nous en rendre compte : on les retrouve comme éléments constitutifs des moteurs électriques, des transformateurs, des mémoires d'ordinateurs, etc. Lorsqu'on passe à des aimants magnétiques de dimensions nanométriques, les comportements sont profondément modifiés car la taille des aimants se rapproche de celles des atomes qui sont gouvernés par les lois de la physique quantique. Le passage du macromonde au nanomonde fascine de plus en plus les chercheurs. Il s'agit pour eux de connaître la frontière entre les deux théories qui gouvernent ces deux mondes à savoir les physiques classique et quantique. Des particules particulièrement intéressantes dans le nanomonde des aimants sont constituées  de molécules individuelles,  appelées aimants monomoléculaires, qui se comportent comme des particules magnétiques monodomaines. On retrouve pour ces molécules des propriétés classiques des aimants comme le cycle d'hystérésis de l'aimantation mais aussi des propriétés quantiques.

Spintronique, des spins dans notre ordinateur

Albert Fert, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales et Université Paris-Sud

La quantité d’information stockée sur un disque dur a été multipliée par cent en moins de dix ans, en partie grâce à l’utilisation d’un phénomène de spintronique que l’on appelle Magnétorésistance Géante. Ce phénomène, découvert en  1988,  est observé  dans  des  multicouches magnétiques,  empilements  de  couches  très  fines de métaux magnétiques et non-magnétiques,  par exemple  des couches de fer et de chrome d’épaisseurs voisines du nanomètre. Les couches magnétiques filtrent les électrons selon l’orientation de leur spin* et un champ magnétique, en accordant tous les filtres, fait chuter fortement la résistance électrique de la multicouche. C’est l’effet de Magnétorésistance Géante utilisé pour la lecture ultra-sensible des disques durs. Le contrôle de courants électriques par action sur le spin des électrons est aujourd’hui à la base de nombreux phénomènes d’une nouvelle électronique que l’on appelle spintronique. Les applications de la spintronique auront probablement un fort impact sur les technologies de l’information et de la communication. L’exposé présentera les directions actuelles de recherche et leurs perspectives.

Les puces à atomes

Jakob Reichel, ENS Paris, Laboratoire Kastler Brossel

Grâce aux « puces à atomes », on sait désormais piéger et manipuler les condensats de Bose-Einstein (BEC) à proximité immédiate de la surface d’un microcircuit intégré. Une telle technique permet de réaliser des lasers à atomes miniaturisés dont on peut prévoir les applications notamment dans l’instrumentation de précision (horloges atomiques, capteurs inertiels) ainsi que dans le traitement d'information quantique.

Nanomatériaux pour l’optique

Hervé Arribart, Saint-Gobain

Si l’optique constitue un domaine privilégié pour le développement des nanomatériaux (i.e. des matériaux composites à des échelles comprises entre 1 nm et 1 µm), c’est qu’il existe de nombreuses dimensions caractéristiques auxquelles les propriétés optiques de la matière hétérogène changent. La longueur d’onde de la lumière (quelques centaines de nanomètres pour le visible), la profondeur de l’effet de peau dans les métaux (quelques dizaines de nanomètres), le rayon de Bohr effectif dans les semi-conducteurs (quelques nanomètres) en sont des exemples. Pour chacun d’eux, des applications technologiques ont déjà été développées, et de nouvelles – très nombreuses – sont à attendre.

Nanoparticules et microfluidique pour le diagnostic médical

Jean-Louis Viovy, Laboratoire de Physico-Chimie (UMR CNRS 168), Institut Curie

La plupart des méthodes de diagnostic, ainsi que de nombreux problèmes posés par la recherche biomédicale, impliquent d’analyser les constituants d’un fluide biologique. La biochimie analytique est ainsi au coeur des progrès en diagnostic, et elle doit évoluer de pair avec la connaissance de plus en plus précise et de plus en plus complète que nous avons de la biologie moléculaire. Pour s'adapter à ces nouveaux défis, les méthodes analytiques doivent faire preuve d'imagination, et puiser dans les progrès effectués dans les domaines connexes. On est par exemple à l'aube d'une révolution liée aux microlaboratoires ou "lab-on-a-chip" qui empruntent largement aux techniques développées pour la microélectronique et aux nanotechnologies. Dans cette conférence, on tentera de montrer comment de nouvelles voies pour la séparation de molécules ou de particules peuvent être ouvertes en puisant dans la très riche panoplie de matériaux et de mécanismes découverts et développés dans le domaine dit de la "matière molle" ou des "fluides complexes" (polymères, colloïdes, cristaux liquides), et par des progrès en instrumentation physique. Cette approche de miniaturisation est également mise à profit pour étudier à l’échelle nanométrique des systèmes biologiques à l’échelle de la molécule individuelle, et apporter ainsi de nouveaux paramètres de contrôle thermo-dynamique (force, couple), et accéder à des informations sur le comportement individuel de chaque espèce, plus riche que les données statistiques fournies par les techniques de la biologie traditionnelle.

Nanomatériaux pour l’imagerie biologique

Maxime Dahan, ENS Paris, Laboratoire Kastler Brossel

Les progrès dans la synthèse des nanomatériaux permettent aujourd’hui de préparer des nanoparticules semi-conductrices dont la taille est contrôlée à l’échelle du nanomètre. Ces nanocristaux sont de grande qualité optique et peuvent servir de nanosources de lumière dans de nombreuses applications, telles que notamment l’imagerie biologique. Nous montrerons comment leur brillance et leur photostabilité permettent des expériences à l’échelle d’une seule molécule dans des milieux vivants. Ces mesures, auparavant inaccessibles avec les méthodes conventionnelles, ouvrent des perspectives nouvelles pour l’étude du fonctionnement des cellules vivantes, tant d’un point de vue fondamental qu’appliqué.

Nanomatériaux hybrides par chimie douce

Clément Sanchez, CPMC, UMR CNRS 7574, Université Pierre et Marie Curie

Les nanosciences et nanotechnologies sont sans aucun doute, au même titre que la biologie, l’un des domaines de développements scientifiques et technologiques les plus prometteurs du XXIe siècle. L’irruption du monde des nanomatériaux hybrides ou céramiques dans les technologies avancées au sens large est déjà très nettement déclarée et induit un profond courant de rapprochement sur ce thème entre physiciens et chimistes, tendance qui s’élargit à la biologie. Les synthèses de type «bottom-up» permettent aujourd’hui l’élaboration de  matériaux et de systèmes complexes sur mesure pour lesquels propriétés et fonctions sont ajustables sur plusieurs échelles de taille, allant du nanomètre au centimètre. D’autre part les approches dites de «Chimie Douce» permettent non seulement un meilleur contrôle sur le choix et le nombre des fonctions mais aussi d’ouvrir l’éventail des fonctionnalités accessibles en mariant avec synergie les matériaux minéraux, les métaux, avec les molécules ou polymères organiques ou biologiques. En particulier les approches bio-inspirées des matériaux sont basées sur de forts couplages entre chimie et procédé et permettent via des mécanismes d’auto-assemblage ou de micro-ségrégation contrôlées d’élaborer des matériaux céramiques ou hybrides originaux. Ces nouveaux matériaux peuvent épouser des formes très diverses (monolithes, nano-particules, poudres, fibres, films minces, membranes…) et dès aujourd’hui présentent d’intéressantes perspectives dans les domaines concernant l’énergie, l’environnement, la santé, la cosmétique, les revêtements fonctionnels et le stockage et la transmission de l’information.

Nanoparticules : des propriétés liées à la forme

Jean-Pierre Jolivet, CPMC, UMR CNRS 7574, Université Pierre et Marie Curie

L’état de division extrême de la matière entraîne des propriétés différentes de celles de la même substance à l’état massif. Trois facteurs principaux sont à l’origine d’un tel effet :

• le développement considérable de la surface, exploité, par exemple, pour la catalyse hétérogène dans l’industrie chimique ou pour la dépollution

• la modification de la structure électronique, qui permet de faire varier la couleur, d’ajuster les propriétés optiques ou magnétiques du solide

• les interactions entre particules, quoi permettent la formation de super réseaux et de cristaux liquides.

La conférence montrera comment fabriquer de telles nanoparticules, comment les disperser pour exploiter leurs propriétés spécifiques et quelques exemples de leur utilisation.

Conclusion

Michel LANNOO (CNRS), Louis LAURENT (CEA), Elisabeth Giacobino (Ministère délégué à l’Enseignement supérieur et à la Recherche, Directrice de la Recherche)